Διαδικασίες Υψηλών Θερμοκρασιών Ενότητα: Εργαστηριακή Άσκηση 2 Τίτλος: Προσδιορισμός του συντελεστή γραμμικής θερμικής διαστολής, του σημείου μετατροπής (Τ g ) και του σημείου μαλακύνσεως (Μ g ) του γυαλιού Ονόματα Καθηγητών: Κακάλη Γ., Μουτσάτσου Α., Μπεάζη Μ., Ρηγοπούλου Β., Φτίκος Χ., Βόγκλης Ν., Κωστογλούδης Γ., Μπαδογιάννης Σ. Σχολή Χημικών Μηχανικών
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 2
Περιεχόμενα Προσδιορισμός του συντελεστή γραμμικής θερμικής διαστολής, του σημείου μετατροπής (Τ g ) και του σημείου μαλακύνσεως (Μ g ) του γυαλιού 1.1 Σκοπός... 4 1.2 Εισαγωγή... 4 1.3 Πειραματική διαδικασία... 4 1.4 Ζητούμενα... 6 1.5 Βιβλιογραφία... 6 3
1.1 Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι η χρήση dilatometry για την καταγραφή της μεταβολής των διαστάσεων του γυαλιού συναρτήσει της θερμοκρασίας και η χρήση της καμπύλης που λαμβάνεται για τον προσδιορισμός χαρακτηριστικών θερμοκρασιών του γυαλιού. 1.2 Εισαγωγή Κάτω από μία ορισμένη κρίσιμη θερμοκρασία, ο συντελεστής διαστολής του γυαλιού παραμένει περίπου σταθερός με μεταβολή της θερμοκρασίας. Οι καμπύλες διαστολής και συστολής ενός κομματιού γυαλιού που έχει υποστεί καλή όπτηση είναι ίδιες και αντιστρεπτές. Σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία ο συντελεστής διαστολής του γυαλιού παρουσιάζει μία σημαντική αύξηση. Η θερμοκρασία αυτή αντιστοιχεί στο σημείο μετατροπής του γυαλιού (T g ). Όταν η διαστολή μετριέται με χρήση Dilatometer (όπως εδώ), το σημείο μαλακύνσεως του γυαλιού (M g ) είναι η θερμοκρασία στην οποία το δείγμα αρχίζει να παραμορφώνεται ή να μειώνεται σε μήκος. Και οι δύο αυτές θερμοκρασίες παρουσιάζουν τεχνολογικό ενδιαφέρον. Το γυαλί στη θερμοκρασία T g έχει ιξώδες 10 12.4 N.s.m -2 (ή Pa.s). Η θερμοκρασία M g αντιστοιχεί σε ιξώδες 10 10.3 Pa.s. Το σημείο μαλακύνσεως που προσδιορίζεται με αυτό τον τρόπο αναφέρεται συχνά ως θερμοκρασία μαλακύνσεως σε Dilatometer, έτσι ώστε να μη συγχέεται με το σημείο μαλακύνσεως Littleton που προσδιορίζεται από την έναρξη επιμήκυνσης της ίνας, και αντιστοιχεί σε ιξώδες 10 6.6 Pa.s. 1.3 Πειραματική διαδικασία Η άσκηση περιλαμβάνει τη χρήση Dilatometer (Σχ. 2) για τη μέτρηση των μεταβολών του μήκους λόγω διαστολής σε θερμαινόμενη ράβδο γυαλιού. Το είδος του γυαλιού που χρησιμοποιείται σ' αυτή την άσκηση αποτελείται από SiO2, Na2O και CaO. Το δείγμα θερμαίνεται σε κυλινδρικό φούρνο, ο οποίος βρίσκεται πάνω σε ράγιες έτσι ώστε να μπορεί να μετακινείται μπρος και πίσω για να είναι δυνατή η τοποθέτηση και απομάκρυνση του δείγματος. Ο ρυθμός θέρμανσης και ψύξης του φούρνου ελέγχεται από προγραμματιζόμενο ελεγκτή (controller). Μπορεί έτσι να καθοριστεί ο ρυθμός αύξησης ή ελάττωσης της θερμοκρασίας, καθώς και ο χρόνος παραμονής σε μια ορισμένη θερμοκρασία. Ανά πάσα 4
στιγμή είναι δυνατή η παρατήρηση της θερμοκρασίας που έχει καθοριστεί καθώς και η πραγματική θερμοκρασία του φούρνου, που μετριέται με θερμοστοιχείο. Ο ελεγκτής έχει ήδη προγραμματιστεί ώστε να αυξάνεται η θερμοκρασία του φούρνου με σταθερό ρυθμό 20 ο C/min. Λαμβάνουμε ένα δείγμα γυαλιού με μορφή ράβδου και μετράμε το αρχικό του μήκος (lo). Ο κυλινδρικός φούρνος σύρεται έξω, και αφού το δείγμα εισαχθεί στην ειδική γι' αυτό θέση (Σχ. 3), τον επαναφέρουμε στην αρχική του θέση. Φροντίζουμε η μία άκρη της πυριτικής ράβδου του οργάνου να εφάπτεται στην επίπεδη πλαϊνή επιφάνεια του δείγματος, ενώ η άλλη της άκρη εφαρμόζεται με προσοχή στην άκρη της βελόνας του οργάνου που μετρά τις μεταβολές του μήκους. Το όργανο αυτό έχει κλίμακα που φτάνει ως τα 10mm, και μετρά με ακρίβεια 0.01mm. Η αρχική ρύθμιση του οργάνου δεν τίθεται στη θέση 0mm, αλλά σε μία μεγαλύτερη, έτσι ώστε να είναι δυνατή η παρατήρηση και των συστολών. Στη συνέχεια ανοίγουμε το διακόπτη (θέση ON), και δίνουμε στον ελεγκτή την εντολή RUN για την έναρξη του προγράμματος. Κατά τη διάρκεια της ανόδου της θερμοκρασίας καταγράφουμε την ένδειξη της αύξησης του μήκους του δείγματος (Δl, σε mm), καθώς και τη θερμοκρασία του φούρνου. Η θέρμανση συνεχίζεται έως ότου το γυάλινο δείγμα αρχίσει να μαλακώνει και να συστέλλεται. Στο σημείο αυτό διακόπτουμε το πρόγραμμα και η θερμοκρασία αρχίζει να πέφτει. Ο συντελεστής γραμμικής διαστολής υπολογίζεται από τη σχέση: Δl α = --------------- l 0 ΔΤ όπου: α: Συντελεστής γραμμικής διαστολής (K -1 ). Δl: Μεταβολή του μήκους του δείγματος (mm). lo: Αρχικό μήκος του δείγματος μετρημένο σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (mm). ΔT=T-To : Αύξηση της θερμοκρασίας (Κ). Κατά τη διάρκεια της άσκησης καταγράφονται οι τιμές της θερμοκρασίας και η αύξηση του μήκους του δείγματος (Δlm σε mm). Η αύξηση όμως αυτή δεν είναι η πραγματική, αλλά θα πρέπει να ληφθεί υπ' όψη και η διαστολή του πυριτικού υποδοχέα. Ο συντελεστής γραμμικής διαστολής του πυριτικού γυαλιού είναι 0.56. 10-6 K -1. Έτσι η πραγματική αύξηση του μήκους είναι Δlc=Δlm+0.56. 10-6. lo. ΔΤ. 5
1.4 Ζητούμενα 1. Να σχεδιασθεί το διάγραμμα Δlc/lo (mm) - T ( 0 C). Από το διάγραμμα να υπολογισθεί το T g και το M g του γυαλιού όπως ορίστηκαν παραπάνω. 2. Το τμήμα του διαγράμματος ως το T g είναι γραμμικό. Από την κλίση της ευθείας να υπολογισθεί, με τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων, ο συντελεστής γραμμικής διαστολής α του δείγματος. 1.5 Βιβλιογραφία 1. W. D. Kingery, H. K. Bowen and D. R. Uhlmann, Introduction to Ceramics, Second Edition. Wiley, New York, 1976, pp. 591-603. 2. D. Askeland and P. Webster, The Science and Engineering of Materials, Second Edition. Chapman & Hall, London, 1990, pp. 763-766. 3. J. F. Shackelford, Introduction to Materials Science for Engineers, 2nd Edition. Maxwell Macmillan International Editions, New Jork, 1990, pp. 371, 376-380. 4. Kirk-Otmer, Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. II, 3rd Edition, pp. 825, 832-833. 5. Β. Κασελούρη-Ρηγοπούλου, Χημεία και Τεχνολογία Πυρίμαχων και Γυαλιού, Αθήνα, 1990, σελ. 1-2, 10-13. 6. Α. Κοντόπουλος, Εισαγωγή στα Πυρίμαχα Υλικά, ΕΜΠ, Αθήνα, 1983. 6