اندازه گیرى چگالى بالک( نسبى،ظاهرى،واقعى)+درصد تخلخل باز و بسته به روش هیدرومتری

                                                                                                                                           

هدف آزمایش :

اندازه گیرى چگالى بالک( نسبى،ظاهرى،واقعى)+درصد تخلخل باز و بسته به روش هیدرومترى

 (ارشمیدس) برای آجر دیر گداز

وسایل مورد نیاز :

3 قطعه آجر دیر گداز ، خشک کن ، ترازو به دقت 0.01 ، پیکنومتر ، آهن ربا ، هاون ، الک ، دسیکاتور ، دسیکاتور خلاء ، پیست ، سیم ، ظرف آب ، هیتر ، ابر یا اسفنج برای زدودن آب های اضافی از اطراف آجر

تئوری آزمایش :

در ابتدا برای آشنایی بیشتر با وزن غوطه وری به توضیح اجمالی راجع به نیروی ارشمیدس میپردازیم .

نیروی ارشمیدس: هر گاه جسمی را داخل شاره ای غوطه ور کنیم ، نیرویی برابر وزن شاره جا به جا   می شود. توسط آن ، بر آن وارد میگردد، که این نیرو را نیروی ارشمیدس ، یا نیروی شناوری می گویند.این بیان در واقع همان اصل ارشمیدس است که از زمان یونان باستان شناخته شده است.

وفتی نیروی ارشمیدس از نیروی وزن بیشتر باشد جسم روی سطح آزاد شاره شناور می شود و وقتی نیروی وزن جسم از نیروی ارشمیدس بیشتر باشد جسم درون شاره غرق می شود.

 قانون ارشمیدس: به ما می گوید هر گاه جسمی را در یا روی آب بگذاریم به ان نیرویی به سمت بالا وارد میشود که اگر این نیرو برابر نیروی وزن جسم ( رو به پایین ) باشد، جسم شناور می ماند.

 قانون ارشمیدس در مورد مقدار نیروی ارشمیدس می گوید: نیروی ارشمیدس به اندازه ی وزن آبی است که به خاطر شناور شدن جسم در آب جا به جا شده است. (1)

چگالى:

در علوم پایه چگالى را مقدار جرم در واحد حجم ماده مى دانند.در صورتى که در علوم پیشرفته این تعریف از چگالى صحیح نیست و دقیقا تعریف جرم واحد حجم یا جرم مخصوص یا همان دانسیته مى باشد.در علم کل،وزن مخصوص یک ماده به وزن آب هم حجم نشان مى دهند.همچنین بین چگالى و وزن مخصوص باید تفاوت قائل شد.s ان را در شرایط استاندارد،چگالى مى گویند و ان را با

چگالى مقدار جرم موجود در واحد حجم است،ولى وزن مخصوص به معنى وزن واحد حجم ماده است.جرم مخصوص  یا  دانسیته جرم واحد حجم است.براى تعاریف جرم مخصوص در یک نقطه ،حجم کوچکى در اطراف نقطه در نظر گرفته و جرم سیال را داخل آن حجم تقسیم نموده حد این نسبت را وقتى تغییرات حجم به اپسیلون میل مى کندمى گیریم.لازم به ذکر است که واحد بسیار کوچکى است اما از فاصله ى متوسط مولکول ها ى جسم،بزرگتر است.(3)

یکاهاى رایج:

 براىچگالى:SIیکاى

- کیلومتر بر متر مکعب

    :SI یکاهاى مترى بیرون از

- کیلومتر بر لیتر.آب عموما چگالى 1 کیلو متر بر لیتر دارد،که یکاى مناسبی را فراهم میسازد.

- کیلو گرم بر دسى مترمکعب

- گرم بر میلى لیتر

- گرم بر سانتى متر مکعب

در یکاهاى سفارشى ایالات متحده یا امپراتورى،یکاهاى چگالى موارد زیر را هم شامل مى شود:

- اونس بر اینچ مکعب

- پوند براینچ مکعب

- پوند بر فوت مکعب

- پوند بر یارد مکعب

- پوند بر گالون(براى امریکا یا گالون امپراتورى)

- پوند بر بوشل امریکایى

- اسلاگ بر فوت مکعب

جهان در حال انبساط است، اما نیروهاى جاذبه بین مواد، باعث کند شدن این انبساط مى شود.هرچه جرم جهان متراکم تر باشد ،به همان اندازه چگالى آن زیادتر شده و انبساط آن کند تر مى شود.جهانى که چگالى بالایى دارد ممکن است بالاخره بخاطر قدرت نیروى جاذبه بین قسمت هاى تشکیل دهنده اش ، منقبض شود.اگر جهان به اندازه ى کافى چگالى نداشته باشد، براى همیشه در حال انبساط خواهد بود.

چگالى بحرانى:

  کیلو گرم بر متر مکعب استکه چگالى بحرانى27X10-5 اندازه ى کافى‌ که براى چگالى گفته مى شود چه قدر است؟این اندازه برابر مى باشد.چگالى بحرانى معیارى است براى باز یا بسته بودن جهان ، اگر چگالى جهان از چگالى بحرانى بیشتر باشد، جهان ، جهانى بسته خواهد بود.اگر چگالى جهان از چگالى بحرانى کمتر باشد جهان ،جهان باز خواهد بود.(4)

 

چگالى نسبى:

مقایسه ى چگالى دو مایع با یکدیگر یا مقایسه ى چگالى یک جامد با یک مایع خیلى راحت است.اگر چگالى جسمى کمتر از مایع باشد، در آن شناور مى شود و در غیر این صورت در آن غرق مى شود.مثلا چگالى چوب از آب کمتر است و براى همین است که چوب روى آب شناور مى ماند ( نیروی ارشمیدس )

 

مواد چگال:

هسته ى اتم هاى تشکیل دهنده ى مواد و ستارگان از جمله کوتوله هاى سفید ، ستاره هاى نوترونى ، ابر نواختران ، سیاه چاله ها و ... چگال ترین موادند.

قیف جدا کننده:

وسیله اى است که مایعات را بر اساس شاخص چگالى از هم جدا مى کند ، مثلا اگر مخلوط روغن و آب را در مخزن این دستگاه بریزیم، بر حسب چگالى مواد داخل این ظرف تفکیک مى شوند. اگر شیر زیر ظرف را باز کنیم ، مایعى که داراى چگالى بالاست، در زیر قرار گرفته و از دستگاه خارج مى شود تا اینکه به مرز جدایى روغن و آب برسد، در چنین حالتى شیر را مى بندیم و دستگاه با موفقیت دو مایع مخلوط را از هم جدا مى کند.(3)

 

تخلخل:

 نمایش مى دهند.تخلخل نسبت فضاى حفره ه اى یک سنگ یا خاک است به Qیکى از خصوصیات سنگ

به فضاى کلى آن:

                                                                                                                                                                            Q=Vv/Vt

بنابراین تخلخل عددى است بین صفر تا یک.همچنین با ضرب کردن این میزان در 100 مى توان آن را به صورت درصد نیز بیان کرد.

تخلخل عبارت است از تمام خلل فرج هاى موجود در رسوب یا سنگ که به دو صورت کل یا موثر بیان مى شود.تخلخل کل شامل  تمام منافذ موجود در سنگ یا رسوب است که از نسبت حجم حفره هاى موجود در سنگ به حجم کل سنگ بدست مى اید و آن را به درصد بیان مى کنند.تخلخل موثر یا مفید شامل حفره هاى متصل به هم است که قادر است مایعات را از خود عبور دهد . این تخلخل از نسبت حجم حفره هاى متصل به هم به حجم کل سنگ بدست مى اید.لازم به ذکر است که در سنگ حفره هایى وجود دارد که قادر نیستند مایعات را از خود عبور دهند، این حفره ها به نام تخلخل غیر مفید هستند و ار تفاضل تخلخل مفید از تخلخل کل بدست مى اید.

پیکنومتر:

پیکنومتر ظرفى کوچک است که حجم آن در درجه حرارت خاص در آزمایشگاه تعیین شده است (حجم پیکنومتر ثابت است) اسبابى براى تعیین چگالى و ضریب انبساط یک مایع ، متشکل است از یک ظرف شیشه اى مدرج که گنجایش حجمى معینى از یک مایع را در دماى معینى داشته باشد با توزین ظرف پر از مایع در دماهاى مختلف تغییرات چگالى و در نتیجه انبساط ظاهرى مایع را مى توان معین کرد.(5)

مواد دیر گداز :

به موادی گفته می شود که نقطه خمیری شدن آن ها بالاتر از 1520 درجه سانتیگراد می باشد .  

تمام مواد تشکیل دهنده شیشه ها و سرامیک ها مواد اکسیدی می باشند .

نقطه خمیری شدن : 

برای تعیین نقطه خمیری شدن از مخروط زگر Seger یا مخروط اورتون Orton استفاده می کنند به این صورت که ابتدا مخروط تهیه شده را در کوره مورد نظر قرار داده و شروع به حرارت دادن می کنیم تا هنگامی که مخروط از کمر خم شود و در اصطلاح شکسته شود این دما را نقطه خمیره گویند که اگر بیش از 1520 درجه باشد به آن دیر گداز اطلاق می شود .   

مواد اولیه تشکیل دهنده دیر گداز ها :   

این مواد اولیه عبارتند از :   

نام اکسید مواد دیر گداز   نقطه ذوب

اکسید سیلیسیم SiO2    1723

اکسید آلومینیم Al2O3    2020

اکسید کرم Cr2O3    2262

اکسید کلسیم CaO    2570

اکسید زیر کنیم ZrO    2750

اکسید منیزیم MgO    2800                                                                                                    

پارامتر های مهم یک دیر گداز و نحوه اندازه گیری آن ها :

تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی 

پایداری در برابر سرباره 

استحکام در برابر شوک حرارتی (تغییرات ناگهانی درجه حرارت )

مقاومت در برابر فشار (در درجه حرارت اتاق و حرارت های بالا )

R.T (Room Temperature) و H.T ( High Temperature) که در دماهای

پایداری حجمی در عملیات حرارتی بعدی ( حرارت دادن مجدد )

میزان انبساط حرارتی 

میزان انتقال هدایت حرارتی و گرمایی(قابلیت هدایت حرارتی 

میزان تخلخل و دانسیته و قابلیت نفوذ در مقابل گاز ها 

مقاومت در مقابل ضربه 

خزش

تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی

این پارامتر که به وسیله دو مخروط به نام های زگر و اورتون سنجیده می شود بدین صورت است که مخروط دیر گداز را در کوره های عملیات حرارتی گذاشته و تا دمای مورد نیاز که معمولا 1520 درجه سانتی گراد است حرارت می دهند تا هنگامی که دیر گداز به نقطه خمیری خود رسیده و از کمر خم شود سپس زمان صرف شده در این عملیات را حساب کرده و رنج پایداری دیر گداز را به دست می آورند .

پایداری در برابر سرباره 

معمولا آجر های دیرگداز ممکن است د رکوره ها یا پاتیل ها در تماس با سرباره قرار گیرند . سرباره ها از نظر خواص شیمیایی به دو دسته اسیدی و قلیایی تقسیم می شوند ، بسته به خواص سرباره و آ‍جر امکان واکنش بین آن ها وجوددارد ( آجر اسیدی با سرباره قلیایی و بالعکس )

ابتدا یک قطعه دیر گداز را سوراخ کرده و حفره هایی را در داخل آن ایجاد می کنیم سپس سرباره را که از قبل به صورت ذوب تهیه نموده ایم در داخل حفره های دیر گداز می ریزیم و در داخل کوره قرار می دهیم و پس از گذشت مدت زمان معین بیرون می آوریم اگر سرباره با دیر گداز میل ترکیب شیمیایی داشته باشد وارد جسم دیر گداز میشود سپس قطعه دیرگداز را برش عرض داده و مورد متالوگرافی و (در زیر میکروسکوپ مورد ) بررسی قرار می دهیم . اگر میل ترکیبی دیر گداز با سرباره زیاد نباشد پایداری سرباره زیاد است در غیر این صورت به نسبت میل ترکیبی رنج دیر گداز را تعیین می کند .

استحکام(مقاومت) در مقابل شوک حرارتی

برای تعیین درجه شوک پذیری ابتدا قطعه دیر گداز مورد نظر را تا دمای کاربردی به مدت زمان معینی حرارت داده و سپس به طور ناگهانی و با سرعت زیاد آن را سرد می کنیم . باید توجه داشت که این کار را 30 مرتبه و بدون وقفه انجام داد . اگر دیر گداز بعد از 30 مرتبه ترک برداشته و یا خرد شود رنج شوک پذیری آن کم اما در غیر این صورت دیر گداز در مقابل شوک حرارتی مقاوم است.

عوامل موثر در شوک پذیری :

ضریب انبساط حرارتی 

قابلیت هدایت حرارتی 

 (Anisotropy) خاصیت آنیزوتروپی

فاز های تشکیل دهنده دیر گداز 

تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی 

تخلخل و دانسیته 

(خواص الاستیک)

ضریب انبساط حرارتی 

میزان تغییرات حجمی که جسم در مقابل حرارت از خود نشان می دهد که هر چه این ضریب پایین تر باشد پایداری این جسم بیشتر است .

نکته : شوک حرارتی تنش هایی است که بین دمای درون قطعه و دمای بیرون ایجاد می شود . 

قابلیت هدایت حرارتی :  

که اگر قابلیت هدایت حرارتی بالا باشد پایداری در مقابل شوک حرارتی بیشتر است . 

خاصیت آن ایزوتروپی 

این خاصیت به این معنا است که خواص در جهات مختلف متفاوت است و هر چه این خواص ایزوتروپ تر باشد دیر گداز مقاومت تر است . 

فاز های تشکیل دهنده دیر گداز ها :

اگر فاز های یک دیر گداز یکی باشد یعنی آن دیر گداز فقط از یک فاز تشکیل شده باشد استحکام دیر گداز در مقابل شوک حرارتی بیشتر است و هر چه تعداد فاز ها بیشتر باشد ناپایداری دیر گداز نیز بیشتر است .  

تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی :

تغییرات فازی که بر اثر تغییر درجه حرارت به وجود می آید باعث ایجاد فاز های مایع در درجه حرارت های پایین می شود . 

تخلخل و دانسیته : 

تخلخل و ضریب تراکم در یک دیر گداز هر چه بیشتر باشد مقاومت آن دیر گداز در برابر شوک حرارتی بیشتر است و هر چه دانسیته کمتر باشد پایداری دیر گداز بالا تر است .

الاستیک ( ضریب کشسانی ) :

هر چه الاستیسیته یک دیر گداز بیشتر باشد پایداری آن در مقابل شوک حرارتی بیشتر است . 

روند آزمایش :

نکته : برای اینکه دانسیته ی آجر را اندازه بگیریم به علت اینکه آجر های دیرگداز دارای ابعاد بزرگی هستند برای سهولت کار یک قسمت از آجر را می بریم که برش این اجر ها نیز باید طبق استاندارد باشد . طبق استاندارد انگلیس باید بعد از برش حد اقل 4 سطح از سطوح اولیه پس از برش باقی می ماند . و یا طبق استانداری دیگر حجم قطعه ی بریده شده حداقل باید 50 سانتی متر مکعب باشد .

3 قعطه آجر دیر گداز داریم که از این 3 قطعه ، 2 قطعه را داخل خشک کن قرار می دهیم تا به مدت 20 دقیقه داخل آن بماند و رطوبت جذب کرده را از دست بدهد . سپس این قطعات را داخل دسیکاتورقرار داده تا به دمای محیط برسد و از طرفی رطوبت محیط را دوباره جذب نکند .

سپس آنرا وزن می کنیم . حال یک ظرف حاوی آب به جوش آمده روی هیتر داریم که از قبل آماده کردیم و اجر ها را با استفاده از سیم داخل این آب معلق کرده تا به مدت 20 دقیقه داخل آب بجوشد تا تمامی تخلخل های باز آن پر از آب شود .

نکته : زمان استاندارد جوشیدن 2 ساعت است که به دلیل کمبود وقت در ساعت درس آزمایشگاه 20 دقیقه می جوشانیم .

حال بعد از 20 دقیقه قطعات را داخل آب سرد می اندازیم تا خنک شود ( زیرا هنگام انتقال آن به روی ترازو اگر قطعه داغ باشد آب آن بخار شده و تخلخل ها دوباره خالی از آب می شود ) حال با استفاده از یک ابر خیس آبهای اضافی آجر را از آن گرفته تا آب از آن نچکد . حال وزن آنرا اندازه گرفته سپس وزن غوطه وری را نیز با استفاده از سبد آویزان در زیر ترازو اندازه می گیریم .

نکته : ما در اینجا 2 آجر را اندازه گیری می کنیم و در آخر میانگین می گیریم تا خطا کم شود .

W1  = وزن خشک

W2 = وزن اشباع

W3 = وزن غوطه وری

چگالی بالک ( ρb ) = w1 . ρliq  / w2 – w3    توضیح : چگالی مایع ( آب ) چون 1 است از آن صرف نظر می کنیم   

(%ρr ) =ρb /ρt ×100

درصد تخلخل کلی (%PT ) =100-ρr

درصد تخلخل باز  (%Po) =( W2-W1 / W2- W3 )×100

دانسیته ی ظاهری (pa )= W1liq /W2 – W1 

  درصد تخلخل بسته )%Pc   (=100-( Po + ρr(=ρb( 1/ ρa-1/pt(x100

   درصد جذب آب  %Aw =W2-W1 /W1 ×100

ρ :t  

برای اندازه گیری (   ) باید از روش پیکنومتری استفاده کرد . به این صورت که ابتدا پیکنومتر را کاملا تمیز کرده و به مدت 20 دقیقه داخل خشک کن قرار می دهیم سپس انرا داخل دسیکاتور قرار داده تا به دمای محیط برسد  و آنرا توزین می کنیم . و دوباره داخل دسیکاتور قرار می دهیم .

قطعه ی سوم را با هاون پودر کرده و از الک با مش 120 عبور می دهیم . حال پودر دانه بندی شده ی حاصل را با استفاده از آهن ربا آهن زدایی می کنیم .

دلیل آهن زدایی : زیرا آهن چگالی بالایی دارد و باعث می شود تا ما چگالی واقعی پودر را به خوبی اندازه گیری نکنیم . پس آهن باید حذف شود .

حال حدودا 5 گرم پودر را داخل پیکنومتر ریخته و وزن می کنیم . سپس با استفاده از پیست پیکنومتر را پر از آب کرده و داخل دسیکاتور خلا به مدت 10 دقیقه قرار می دهیم تا هوای اضافی بین ذرات پودر خارج شود و دوباره به پیکنومتر آب می افزاییم تا پر شود . ( کسری آب پیکنومتر به دلیل خروج حباب های هوا می باشد ) حال پیکنومتر را به همراه محتویات آن وزن کرده . پس از توزین محتویات ان را بیرون ریخته و آنرا پر از آب کرده و دوباره توزین می کنیم .

W1 = وزن پیکنومتر خشک

W2 = وزن پیکنومتر به همراه 5 گرم پودر

W3 = وزن پیکنومتر و پودر و آب

W4 = وزن پیکنومتر و آب

Ρt = (w2 ­ - w1 ) . ρliq /[ ( w4 – w1 ) – ( w3 – w2 ) ]

نتایج حاصله :

Ρt = ( 12.05 – 7.06 ) / [ ( 30.47– 7.06 ) – ( 33.5 – 12.05) ] = 2.546gr/cm3

 

Ρb

%Pr

%PT

%Po

Pa

%Pc

%Aw

نمونه 1

2.048

82.48

17.52

16.63

10.22

0.89

9.78

نمونه 2

2.014

81.11

18.89

17.02

9.23

1.87

10.84

میانگین

2.031

81.795

18.21

16.825

9.725

1.38

10.31

 

بررسی نتایج :

با توجه به نتایج آجر دیر گداز ما 18.21 درصد تخلخل داشته که برای دیر گداز ها این مقدار تخلخل بالاست. بنابر این می توان تصور کرد که این آجر که از نوع شاموتی نیز می باشد جز رده های کم کیفیت می باشد . زیرا اگر با این مقدار تخلخل این آجر در یک محیط خورنده مانند شیشه قرار بگیر خوردگی بالایی ایجاد می شود .

 

خطاهای آزمایش :

1 ) خطای دستگاه های اندازه گیری مانند ترازو

2 ) خطای هنگام توزین آجر و بستن سیم به دور آن : هنگام بستن سیم به دور اجر از آنجایی که آجر ما بسیار متخلخل بود با کمی فشار سیم روی ان مقداری از آجر پودر شد و از وزن کل کم شد .

3 ) خطای دید هنگام استفاده از پیکنومتر و مشاهده ی سطح آب کامل خارج نشود

                                                       4 ) خطا در زدودن آهن 

5) خطا در هنگام استفاده از پیکنومتر جهت بدست آوردن دانسیته ى تئورى ، در صورتى که پیکنومتر کاملا تمیز نباشد و یا از قبل خیس باشد.

مراجع :

 

  در فصل نامه ى کاشى و سرامیک شماره ى دوم و سوم D.Engmann ،Interceram 4/2000،Pag 25 ترجمه ى مقاله ى-1

www.physic.persianblog.comوب سایت تخصصى فیزیک -2

http:/dancshnamch.roshd.ir-3

http:/fa.wikipcdia.org/wiki/-4

www.aftab.ir-5

 

            

 


فیروز رضائی ; ٩:۱۱ ‎ق.ظ ; ۱۳٩٠/٩/٩