ТЕОРИЯ сварочных процессов

Основные теплофизические величины и понятия

Приведем краткое описание теплофизических величин и поня­тий, обычно используемых в расчетах тепловых процессов при сварке.

1. Температурой Т называется физическая величина, характери­зующая степень нагретости тела. В настоящее время различают две температурные шкалы: термодинамическую (абсолютную) и между­
народную практическую. Термодинамическая шкала имеет начало в точке абсолютного нуля, термодинамическую (абсолютную) темпе­ратуру выражают в кельвинах (К). В практической шкале в качестве единицы температуры используют градус Цельсия (°С), а нулю со­ответствует точка таяния льда (О °С = 273,15 К). Цена деления в обе­их шкалах одинакова, поэтому изменение температуры АТ имеет одно и то же значение как в кельвинах, так и в градусах Цельсия.

2. Температурное поле - совокупность температур во всех точ­ках тела в данный момент времени t. Если температурное поле не изменяется во времени, оно называется стационарным: Т = = Г(х, у, z); в противном случае - нестационарным: Т = Г(х, у, z, /).

Для наглядности температурные поля часто изображают в виде наборов изотермических поверхностей или линий (рис. 5.1). Если температуры во всех точках тела одинаковы, то такое поле называ­ется однородным.

3. Изотермическая поверхность - совокупность точек тела, имеющих одинаковую температуру. Изотерма - линия на поверх­ности или в сечении тела, соединяющая точки с одинаковой тем­пературой. Изотермы не могут пересекаться, так как в точках их пересечения одновременно имели бы место различные температу­ры, что физически невозможно.

4. Термический цикл - зависимость T(t) температуры от време­ни в некоторой фиксированной точке тела.

5. Градиент температуры - вектор, характеризующий степень неоднородности температурного поля в окрестности рассматри­
ваемой точки тела. Направление градиента температуры совпадает с направлением наибольшего возрастания температуры, т. е. с нормалью к изотермической поверхности, проходящей через рас­сматриваемую точку тела (см. рис. 5.1). Компонентами градиента температуры в декартовой системе координат являются частные производные температуры по координатам:

дТг дТ - дТ г ^

grad T =—i+—j+—k, (5.1)

дх ду dz

где /, у, к - единичные векторы координатных осей.

6. Тепловой поток q через некоторую поверхность - величина, характеризующая количество теплоты Q, проходящее через эту поверхность за единицу времени:

Единица теплового потока в СИ совпадает с единицей мощно­сти (Вт).

7. Удельный тепловой поток - тепловой поток, приходящийся на единицу площади (его обозначают с нижним индексом «2»):

(5'3)

8. Приращение энтальпии АН - количество теплоты, сообщен­ное единице массы вещества при нагреве его от температуры Т до

72. При технических расчетах приращение энтальпии ЛЯ, Дж/г, обычно отсчитывают от нормальной температуры (293 К), а не от абсолютного нуля. Приращение энтальпии в металлах с ростом температуры монотонно увеличивается. Лишь в критических точ­ках, соответствующих структурным и фазовым превращениям, которые происходят с поглощением или выделением теплоты, приращение энтальпии изменяется скачкообразно (рис. 5.2).

9. Теплоемкость - свойство материала поглощать теплоту при нагревании. За единицу теплоемкости принимают количество теп­лоты, необходимое для нагрева на 1 К (1 °С) единицы массы веще­ства (массовая теплоемкость с, Дж/(г ■ К)) или единицы его объема (объемная теплоемкость ср, Дж/(см3*К)). Различают истинную (т. е. при данной температуре) и среднюю (в заданном интервале

температур) теплоемкости. Истинная массовая теплоемкость пред­ставляет собой производную приращения энтальпии по темпера­туре

С. 4*21. (5.4)

ІГ

В критических точках понятие истинной теплоемкости теряет смысл (см. рис. 5.2).

10. Удельная теплота превращения L - количество теплоты, поглощаемой или выделяемой единицей массы материала в изо­термическом процессе превращения.

11. Теплопроводность - способность материалов проводить теплоту. Характеризуется коэффициентом теплопроводности X, Вт/(см-К), который численно выражает количество теплоты, протекающее через единицу изотермической поверхности в еди­ницу времени при единичном градиенте температуры. Для раз­личных веществ коэффициент теплопроводности имеет разные

Рис. 5.3. Коэффициент тепло­проводности X различных ма­рок стали в зависимости от температуры:

] - электролитическое железо; 2 - низкоуглеродистая сталь с содер­жанием 0,1 % С; 3 - углеродистая сталь с содержанием, %: 0,45 С, 0,08 Si, 0,07 Мп; 4 - низколегиро­ванная сталь с содержанием, %: 0,1 С, 0,02 Si, 0,4 Мп, 4,98 Сг; 5 - сталь с содержанием, %: 1,52 С, 0,38 Si, 0,38 Мп, 13,1 Сг; 6 - хро­моникелевая коррозионно-стойкая сталь типа 18-8

значения и в общем случае зависит от химического состава, струк­туры материала и температуры (рис. 5.3).

В инженерных расчетах обычно пользуются значениями теп­лофизических свойств, усредненными в характерных температур­ных интервалах (табл. 5.1).

2

12. Коэффициент температуропроводности а, см/с пред­ставляет собой отношение коэффициента теплопроводности к объ­емной теплоемкости а = Х/ср. Эта величина присутствует в диф­ференциальном уравнении теплопроводности.

Передача тепловой энергии (теплообмен) может осуществлять­ся тремя способами: теплопроводностью, конвекцией, излучением (радиацией). В твердых телах теплота передается первым спосо­бом. В жидкостях теплота передается конвекцией и теплопровод­ностью; в газах - конвекцией и излучением; в вакууме - только излучением.

Закон теплопроводности, сформулированный О. Фурье, уста­навливает количественную связь между теплопроводностью мате­риала, градиентом температуры и удельным тепловым потоком в твердых телах:

?2=~^ёгас^- (5-5)

Знак минус в формуле (5.5) означает, что поток теплоты направлен в сторону, противоположную возрастанию температуры.