Express method for determining thermal properties of materials using a two-layer “sample – standard” system

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article considers the determination of thermal properties of a sample of various materials based on the results of measuring the temperature of a reference body (standard). The existing method for determining the thermal properties of a sample in a system of three contacting bodies "standard – sample – standard" (in a three-layer system) includes complex calculation formulas and labor-intensive experimental techniques. Therefore, this method must be simplified. An express method for determining the thermal properties (thermal and thermal diffusivity) of materials using a two-layer "sample – standard" system is theoretically substantiated. For large Fourier numbers, the standard temperature depends on one input parameter, which is determined by the ratio of the dimensionless thermal conductivity to the dimensionless thermal diffusivity. If the above parameter is taken as an independent variable, the time dependence of the standard temperature at a selected point contains a straight-line section, which allows one to quickly find a good approximation for the coefficients included in the mathematical model of the thermal energy transfer process in a two-layer system. For this system, an exact solution of the heat exchange problem during heating by a constant heat flow is obtained and an algorithm for solving the inverse problem is constructed: determining the thermal and thermal diffusivity of the sample under study based on the results of measuring the temperature of the standard. The efficiency of the algorithm is shown using a specific example. The results of calculations with the found coefficients are consistent with experimental data in the entire range of variation of the Fourier number. The proposed method can be implemented in thermophysical instrumentation.

About the authors

V. A. Chugunov

Moscow Sity University

Email: chug1947@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6777-0814

A. A. Lipaev

Ural State Mining University

Email: lipaevagni@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1909-859X

N. S. Zemtsov

Ural State Mining University

Email: Nikolaj.zemtsov@yandex.ru
SPIN-code: 1782-1223

N. V. Ustyantseva

Ural State Mining University

Email: ystianseva@mail.ru
ORCID iD: 0009-0007-4195-3712

References

  1. Филиппов Л. П. Измерение теплофизических свойств веществ методом периодического нагрева. Энергоатомиздат, Москва (1984).
  2. Кириченко Ю. А. Определение теплофизических коэффициентов методом температурных волн. Инженернофизический журнал, 4(5), 12–15 (1961).
  3. Зиновьев В. Е., Бочаров В. И., Мулюков Р. Р. и др. Прибор для автоматизированных измерений теплофизических характеристик горных пород в условиях, близких к естественным. Измерительная техника (1), 62–63 (1985).
  4. Липаев А. А. Теплофизические исследования в петрофизике. Издательство Казанского университета, Казань (1993).
  5. Липаев А. А., Хисамов Р. С., Чугунов В. А. Теплофизика горных пород нефтяных месторождений. Недра, Москва (2003).
  6. Чугунов В. А., Липаев А. А., Королев В. А. Оценка возможности применения одномерной по пространству математической модели теплопереноса в системе контактирующих тел для определения тепловых свойств материалов. Управление техносферой: сетевой журнал, 1(2), 209–245 (2018). URL: https://technosphere-ing.ru/ru/technosphere/issue/01r20/technosphere-t01-133-247/tom01-209-245 (дата обращения: 30.05.2025).
  7. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твёрдых тел : Пер. с англ. Наука, Москва (1964).
  8. Чугунов В. А., Липаев А. А. Исследование регулярного режима 3-го рода в системе контактирующих тел с источником тепла в ее центральной части с целью определения тепловых свойств материалов. Управление техносферой: сетевой журнал, 2(2), 208–233 (2019). URL: https://technosphere-ing.ru/ru/technosphere/issue/01r20/technospheret02-138-253/tom2-208-233 (дата обращения: 30.05.2025).
  9. Karagiannidis G. K., Lioumpas A. S. An improved approximation for the Gaussian Q-function. IEEE Communications Letters, 11(8), 644–646 (2007). https://doi.org/10.1109/LCOMM.2007.070470
  10. Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. Наука: Главная редакция физико-математической литературы: изд. 2-е, Москва (1979).
  11. Липаев А. А., Чугунов В. А., Земцов Н. С., Устьянцева Н. В. Способ определения тепловых свойств материалов: пат. Ru 2754715 C1. Изобретения. Полезные модели. № 25 (2021).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).