Теплофизика

Министерство науки и высшего образования  

Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

ТЕПЛОФИЗИКА 

Практикум 

Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета  

для студентов вуза, обучающихся  

по направлениям подготовки  

22.03.01 — Материаловедение и технология материалов;  

22.03.02, 22.04.02 — Металлургия 

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2021 

ТЕПЛОФИЗИКА

УДК 536.2(076.5)
ББК 22.317я73
          Т34

Авторы: В. А. Дудко, С. Я. Журавлев, Е. В. Киселев, Н. Б. Лошкарев, В. И. Матюхин, О. В. Матюхин, Н. А. Спирин 

Рецензенты:
замдиректора ОАО «ВНИИМТ» д‑р техн. наук, проф. Г. М. Дружинин;
гл. науч. сотр. Института металлургии УрО РАН д‑р техн. наук,  

проф. А. Н. Дмитриев

Научный редактор — д‑р техн. наук, проф. Г. В. Воронов 

Т34

Теплофизика : практикум / В. А. Дудко, С. Я. Журавлев, Е. В. Киселев [и др.] ; М‑во науки и высш. образования. — Екатеринбург :  
Изд‑во Урал. ун‑та, 2021. — 79, [1] с.

ISBN 978‑5‑7996‑3304‑2

Изложены материалы для подготовки и проведения лабораторных работ по дисциплинам, в которых изучаются основы переноса теплоты различными способами 
и законы термодинамических процессов. Книга предназначена для бакалавров и магистров металлургических направлений, также ее можно рекомендовать и студентам, 
которые изучают в различных дисциплинах разделы теплофизики и термодинамики.

Табл. 5. Рис. 25.

УДК 536.2(076.5)
ББК 22.317я73

ISBN 978‑5‑7996‑3304‑2
© Уральский федеральный 
     университет, 2021 

Содержание 

Содержание

Введение ...............................................................................................4

1. Методические указания к выполнению лабораторных работ  .......5

2. Исследование теплообмена излучением  ......................................21

3. Определение коэффициента теплопроводности  
твердых материалов  ...........................................................................31

4. Изучение процесса теплопроводности  
при нестационарном режиме  ............................................................39

5. Исследование естественной конвекции в условиях  
комбинированного теплообмена труб с окружающим воздухом  ....48

6. Исследование фазовых переходов  ................................................60

7. Определение универсальной газовой постоянной  .......................69

Список библиографических ссылок  ................................................78

ТЕПЛОФИЗИКА

Введение

В 

процессе формирования представлений о технологических процессах, которые осуществляются при высоких температурах, студентам следует ознакомиться с теоретическими аспектами этих процессов.

Основную роль во многих технологических процессах играют процессы термодинамики и тепломассообмена. Развитие этих процессов, их качественные и количественные характеристики существенным образом влияют на работу агрегата в целом. Сложность процесса 
заключается в том, что тепломассообменные процессы в рабочем пространстве агрегатов протекают одновременно и взаимосвязаны друг 
с другом.

Наиболее полное представление об изучаемом процессе возникает 

при самостоятельном проведении научного эксперимента (лабораторного практикума). Участие в эксперименте позволяет не только углубить и закрепить изученный теоретический материал, но и получить 
необходимые навыки работы с лабораторным оборудованием и контрольно‑измерительными приборами, также проанализировать результаты эксперимента и сделать соответствующие выводы.

Каждая работа позволяет решать задачи различного уровня в зависимости от объема проведенных исследований и глубины изучения 
процесса.

В итоге выполнения лабораторного практикума оформляется отчет 

о проведенной работе. Обязательные элементы, которые должен содержать итоговый отчет, устанавливаются преподавателем.

1. Методические указания к выполнению  лабораторных работ 

1. Методические указания 
к выполнению  
лабораторных работ 

1.1. Цель и порядок выполнения  
лабораторной работы 

Л

абораторные занятия по дисциплинам «Теплофизика» и «Теплотехника» проводятся с целью:

– закрепить и углубить знания, получаемые студентами на лекциях и в процессе самостоятельной работы;

– усвоить фундаментальные законы и расчетные методики, изложенные на лекциях;

– обучиться методам экспериментальных и научных исследований;
– получить навыки научного анализа и обобщения полученных 

результатов;

– приобрести навыки работы с лабораторным оборудованием, контрольно‑измерительными приборами и вычислительной техникой;

– развить творческую инициативу и самостоятельность студентов 

в проведении практических работ в лаборатории.

Выполнение работы содержит несколько основных этапов:
– подготовительную часть;
– проведение экспериментального исследования;
– обработку результатов эксперимента;
– оформление и защиту отчетов.

ТЕПЛОФИЗИКА

Подготовительная часть проводится накануне лабораторного занятия каждым студентом самостоятельно, при этом необходимо:

– ознакомиться с целью и содержанием работы;
– проработать соответствующую тему теоретического курса;
– изучить устройство и принцип работы лабораторной установки 

и используемых измерительных приборов;

– усвоить последовательность выполнения рабочих операций и порядок обработки измеряемых параметров;

– изучить меры безопасности, относящиеся к данной работе, лично расписаться в журнале инструктажа;

– подготовить бланк отчета.
В результате проведения подготовительной части студент должен 

знать:

– 
объект и предмет исследования;

– 
состав и устройство лабораторной установки;

– 
порядок выполнения работы;

– 
порядок обработки данных, полученных при измерении;

– 
ответы на контрольные вопросы;

– 
меры безопасности при работе на установке, местах подачи и отключения питания, расположения средств защиты и пожаротушения, 
правила оказания первой помощи пострадавшим.

Каждый студент при себе должен иметь:
– подготовленный бланк отчета;
– счетный прибор (микрокалькулятор);
– линейку, карандаш, ручку и ластик;
– конспект лекций по изучаемой теме;
– руководство к лабораторным занятиям;
– тетрадь для черновых записей и расчетов.

В целях дополнительной проверки теоретического материала и для 

более точной оценки готовности каждого студента, преподаватель перед началом выполнения экспериментальной части занятия может 
провести контрольное мероприятие в письменном и устном виде [1].

Проведение экспериментального исследования включает в себя:
– проверку исходного состояния установки;
– подготовку установки к работе;
– проведение эксперимента и измерений в опытах;
– приведение в исходное состояние лабораторной установки.

1. Методические указания к выполнению лабораторных работ 

Результаты, полученные в ходе проведения эксперимента, согласовываются с преподавателем. При необходимости, для уточнения результатов, проводится повторный эксперимент или его часть.

Измерения выполняются, как правило, в составе группы из 4–6 студентов.

Обработка результатов эксперимента производится студентами самостоятельно, по заданию и в объеме, заданном преподавателем.

Весь расчетный материал с пояснениями должен быть занесен в отчет в хронологическом порядке выполнения эксперимента. Далее итоги обработки результатов эксперимента сводятся в таблицу, на основании которой (по заданию преподавателя) могут быть построены 
графические зависимости.

Перед следующим лабораторным занятием студенты сдают отчет 

преподавателю. Преподаватель проверяет правильность оформления 
отчета и обоснованность сделанных выводов. На основании уровня 
подготовки студента по теме лабораторного занятия и содержательности отчета выставляется оценка за работу. В случае неудовлетворительной подготовленности студента или грубых нарушений оформления отчета, преподаватель назначает другое время для повторной 
защиты отчета о лабораторной работе после исправления замечаний.

1.2. Требования к оформлению отчетов 

Оформление отчета о лабораторной работе начинается в процессе выполнения подготовительной части занятия. Отчет оформляется на бланке лабораторной работы либо в тетради для практических занятий черными, фиолетовыми или синими чернилами (пастой). Схемы, таблицы, 
графики допускается выполнять простым карандашом или с использованием компьютерных программ Word, Excel и др. В верхней части бланка 
записывается полное (без сокращения) название работы, ее номер, фамилия, инициалы студента и номер группы, дата выполнения работы.

В общем случае отчет должен содержать следующие разделы:
– цель работы; теоретическую часть материала изучаемого  

процесса;

– схему и состав лабораторной установки;

ТЕПЛОФИЗИКА

– краткое описание методики проведения исследований;
– исходные данные для проведения исследований;
– расчетные формулы;
– результаты измерений и вычислений;
– выводы.
Схема лабораторной установки выполняется аккуратно с применением чертежных инструментов или графических редакторов. Она 
должна отражать состав и взаимодействие основных частей установки. 
Схема обязательно должна иметь номера позиций составных частей 
установки. Условные обозначения должны соответствовать ЕСКД или 
иметь общепринятый смысл. Расшифровка иных обозначений и сокращений должна быть приведена в отчете.

Методика проведения исследований излагается в виде плана проведения измерений и получения конечного результата.

Исходные данные содержатся в описаниях соответствующих работ 

или предоставляются преподавателем.

Расчетные формулы должны иметь краткий комментарий (без 

слов «найти», «вычислить», «определить» и т. п.), ссылочный номер 
и единицу измерения. Замеченные описки и ошибки исправляются  
с помощью корректора.

Раздел «Результаты измерений вычислений» занимает главное место в отчете и имеет наибольший объем.

Вычисления записываются со всеми необходимыми дополнительными пояснениями. Записывается расчетная формула, в нее подставляются значения соответствующих величин и проводится математическое вычисление. В отчете представляются все промежуточные 
расчетные данные.

Таблицы, представленные в каждой методической разработке к лабораторной работе, имеют рекомендательный характер. Студент имеет 
право по своему усмотрению изменять форму таблиц, добиваясь максимальной наглядности представления материала.

Графики являются наиболее информативным средством представления результатов. Особенности обработки результатов измерений (заполнение таблиц и построение графиков) уточняются у преподавателя.

Выводы по работе составляются в произвольной форме и должны отвечать на поставленную перед выполнением работы преподавателем цель.

В выводах необходимо охарактеризовать особенности проведенения, проанализировать совпадение экспериментальных результатов 

1. Методические указания к выполнению лабораторных работ 

с теоретическими данными, показать причины их возможного расхождения.

В качестве дополнения, демонстрирующего понимание сути изучаемого явления, в выводах можно высказать предложения по совершенствованию лабораторной установки, методики проведения занятия, выполнения эксперимента и обработки опытных данных.

При составлении текстовой части отчета допускается применение сокращенного варианта написания слов только общепринятой  
формы [1].

Выводы пишутся каждым студентом самостоятельно.

1.3. Обработка результатов измерений 

Определение тепловых потоков. При исследовании процессов распространения теплоты определяющим параметром является величина теплового потока Q.

В ряде случаев энергия в форме теплоты подводится от электрических нагревателей. Если ее потери в окружающую среду отсутствуют, 
т. е. вся выделившаяся теплота Q при прохождении электрического 
тока по сопротивлению участвует в изучаемом процессе, то ее величина может определяться по силе тока I и падению напряжения на нагревателе U

 
Q = I U.

Если известна сила тока I, проходящего через нагреватель, падение напряжения на нагревателе U и его электрическое сопротивление R, то величина выделяющейся теплоты может быть установлена 
по выражению 

 
Q
I R
U
R
=
=
2
2 /
.

При наличии потерь теплоты и в случае, когда тепловой поток создается неэлектрическими нагревателями (например протекающим горячим газом по каналу), для определения значения используют калориметрический метод или метод теплопроводности.

Суть калориметрического метода определения теплового потока 

состоит в том, что количество теплоты в единицу времени вычисля