Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\MTS68\MTS68_t6z1_4_PDF\mts68_t6z2.pdf M E C H AN I K A TEORETYCZNA I  STOSOWANA 2,  6 (1968) EFEKT JACQA WIESŁAW  G O G Ó Ł  (WARSZAWA) 1. Wstę p W  p racyO  przedstawiono  wyniki  badań  doś wiadczalnych  JACQA  wskazują ce  na  ist- nienie  pewnych  niezgodnoś ci  mię dzy  rzeczywistym  polem  temperatury  w  ciele  stał ym (metalu)  a  polem  tem peratury  wynikają cym  z  prawa  F ouiiera.  N iezgodność  pól  tem- peratury  obserwowana  przez  Jacqa  (anomalia  rozkł adu  temperatury)  wystę pować  ma tylko  w  obszarach  leż ą cych  w  pobliżu  powierzchni  metalu  (warstwa  podpowierzchniowa). W  niniejszym  opracowaniu,  opartym  n a  cytowanej  bibliografii,  podan o  również  próby teoretycznego  wyjaś nienia  tego  zjawiska  nazywanego  efektem  Jacqa. N a  wstę pie  należy  podkreś lić,  że  omawiane  tutaj  zagadnienie jest  bardzo  dyskusyjne i  zjawiska  Jacqa  nie m oż na  uważ ać  w  chwili  obecnej  za  cał kowicie wyjaś nione.  Efekt  ten stanowi  niewą tpliwie  nowy  i  interesują cy  problem, jakkolwiek  wnioski  wynikają ce  z jego istnienia  nie  są   w  pewnych  przypadkach  zupeł nie zgodne  z  niektórymi  dość  dobrze  zba- danymi  zjawiskami  w  wymianie  ciepł a. W  celu  zdefiniowania  efektu  Jacqa  na  rys.  1 pokazano  rozkł ad temperatury  t(x)  przy przewodzeniu  strumienia  ciepł a  q  w  stanie  ustalonym  przez  pł ytę   o  gruboś ci  6  (zagad- nienie  jednowymiarowe);  n a  górnej  czę ś ci  rysunku  pokazano  pole  temperatury  zgodne z  prawem  F ouriera, a  n a  dolnej  czę ś ci —  rozkł ad  temperatury  otrzymywany  eksperymen- talnie  przez  Jacqa;  nadmierny  wzrost  temperatury  od  strony  ogrzewanej  i  nadmierny spadek  od  strony  ochł adzanej jest  bardzo  wyraź nie  widoczny. Róż nica  mię dzy  tymi  dwoma  polami  temperatury,  czyli  istotna  anomalia  pola  tem- peratury,  pokazan a  jest  n a  rys.  2. Pomiary  przeprowadzone  przez  Jacqa  wykazał y  proporcjonalność  spię trzenia  tem- peratury  AT m   do  przewodzonego  strumienia  ciepł a  q (1.1)  AT m   =  kq, przy  czym  współ czynnik  proporcjonalnoś ci  k  może  być  nazwany  współ czynnikiem  nad- miernego  wzrostu  tem peratury  albo  współ czynnikiem  spię trzenia  temperatury.  Wartoś ci tego  współ czynnika  od  strony  ogrzewanej  k+ i  od strony  ochł adzanej k~ nie są   jednakowe. C1)  N iniejsza  praca  stanowi  rozwinię ty  fragment  referatu  o  granicach  stosowalnoś ci  równania  F ou- riera, wygł oszonego przez autora  na zebraniu  naukowym Instytutu  Techniki Cieplnej  w Warszawie, w  dniu 19.IV. 1966  r. 2  Mechanika  teoretyczna 134 W.  G OG ÓŁ Zjawisko  to nie  pojawia  się  od razu  (natychm iastowo) z chwilą   rozpoczę cia dział ania strumienia  n a powierzchnię   ś cianki  przewodzą cej  ciepł o  (stan  nieustalony).  N a  dolnej czę ś ci  rys. 2  pokazany  jest  wzrost  w  czasie  spię trzenia  tem peratury  AT  =   AT (r),  przy czym  zależ ność  ta jest  wedł ug  Jacqa  zbliż ona  do  wykł adniczej (1.2)  zir= / cJl- expl-~ gdzie  T 0 jest  pewną   stał ą   o  wymiarze  czasu. 1 6 Rys. 1 Rys.  2 Jacq  przeprowadził   tylko  badan ia  eksperymentalne  i  obserwował   om awiany  efekt w  metalach i ich  stopach. P róby  teoretycznego  uzasadn ien ia  tego  interesują cego  zjawiska był y  przeprowadzone — w  sposób  zupeł nie  odmienny — przez  KAISERA  i  LU C ASA. 2.  Badania  eksperymentalne  Jacqa  [1,  2] Anomalia  rozkł adu  tem peratury  w  warstwie  podpowierzchniowej  został a  zauważ ona przez  Jacqa  przypadkowo  w  trakcie  dokonywanych  przez  niego  pom iarów  wł asnoś ci cieplnych  (współ czynników  przewodnictwa  X, a) m etali. P rzedmiotem  dalszych  badań  eksperymentalnych  Jacqa  zwią zanych  z  zauważ onym efektem  był y  tylko  metale  czyste  i ich stopy,  przy  czym  powierzchnie  badan ych  próbek był y  gł adkie  i  chemicznie  czyste. D oś wiadczenia  był y  przeprowadzan e  tak,  aby m oż na  był o  zastosować  do n ich  roz- wią zania  równ ań  jednowymiarowego  procesu  przewodzenia  ciepł a.  G ruboś ci  badan ych próbek  wynosił y  od kilku  do  kilkudziesię ciu  milimetrów.  Ogrzewanie  próbek  był o zwykle EF EKT  JACQA 135 dokon ywan e  przez  n aprom ien iowan ie  ich  powierzchni  stał ym  strumieniem  E;  stosowane był o  również  ogrzewanie  i  ochł adzan ie powierzchni  próbek  w  warunkach  konwekcji  wy- muszonej  w  powietrzu  przez  wylewanie  roztopion ego  m etalu,  silne  tarcie  itp. N a  rys.  3  pokazan a jest  pł ytka  o  gruboś ci  ó,  n a  której  powierzchnię   x  — 0 pada  stru- mień  ciepł a  E  — con st;  druga  powierzchn ia  x  =  6 jest  izolowana.  M ateriał   próbki  uwa- Rys.  3 ż any jest za jedn orodn y, izotropowy  i o  wł asnoś ciach  niezmiennych  z  tem peraturą .  X ozna- cza  przewodn ość  cieplną ,  a  stał a  a —  dyfuzyjność  cieplną   m ateriał u. Rozwią zanie  równ an ia  F o u riera (2.1) ii dx 2 przy  warun kach  brzegowych  i  począ tkowych (2.2) dx ( 2 3 )   Sx (2.4)  t(x,  0)  =   0 przedstawia  się   nastę pują co  [2, 5] n = i - j-   cos  inn—— 2 * 136 W.  G OG ÓŁ N a  rys. 4 podany jest  wykres  zredukowanej  (bezwymiarowej)  tem peratury  & w  zależ- noś ci  od  liczby  F ouriera [2], Z  równania  (2.5) wynika,  że z upł ywem  czasu  wyrazy  zawierają ce  funkcje  wykł adnicze szybko  dą żą   do 0  i  dla  liczb  F ouriera (2.6)  F o =   ^ > 0 , 3 (odpowiada  to  czasom  r  X  1,3 s  dla próbki  stalowej  o  gruboś ci  <5  =   6 mm i  T s  0,1 s dla  próbki  miedzianej)  ustala  się   niezmienna  w  czasie  róż nica  tem peratur  mię dzy  po- wierzchniami  próbki 6 (2.7)  At=^ t(O,r)~t(d,r)  —  E- j, a  prę dkoś ci  wzrostu  temperatury  wszystkich  pun któw  próbki  są   jedn akowe  (rys. 4). W arstwa  Jacg'a 0.3 0.6 fl- f 0.2 n / / U // Ą • 4/ 7 V / / / / / / • j/> n ( z - A / / t  - 400 300 200  - 0.2  0.4  0.6 Rys.  4 0  100 300 Rys.  5 500 [ U moż liwia  to ł atwe wyznaczenie  strumienia  E, jeś li  zn an a jest gę stość  Q i ciepł o wł aś ciwe c badanego  materiał u (2. 8) dx Wyniki  pomiarów  przeprowadzonych  przez  Jacqa  wykazał y  niezgodność  rzeczy- wistego  pola  temperatury  t(x, T ) Z polem  opartym  n a prawie  F ouriera  t F (x,  T) i  wynika- ją cymi  z  niego  zależ noś ciami  (2.5),  (2.6)  i  (2.7). W warstwie  podpowierzchniowej  o  gru- boś ci  okoł o  100 mikronów  (rys. 5) wystę puje  spię trzenie  tem peratury,  które  po  upł ywie pewnego  czasu  od  począ tku  ogrzewania  pł ytki  osią ga  stał ą   wartość  maksymalną (2.9)  AT m   =   t(p, t)- fr(0,  r)  ^  t(x = 0, z)- t(x  a  0, T), gdzie  przez  t(x  a  0) oznaczono  temperaturę  w  odległ oś ci  okoł o  100 ,wm od  powierzchni próbki.  Z uwagi na istnieją cy  w próbce w  ogóle  mał y  spadek  tem peratury  m oż na  napisać w  przybliż eniu (2.10)  AT m   x  t(x =  0)- t(x  =  8). EFEKT  JACQA 137 P oza  obszarem  warstwy  Jacqa  rozkł ad  tem peratury  jest  zgodny  z  prawem  F ouriera. R ówn ież  rzeczywiste  czasy  T ', po  upł ywie  których  ustala  się   prę dkość  wzrostu  tempe- ratury  powierzchni,  okazał y  się   wyż sze  od  czasów  teoretycznych (2.11) 0,3< 5 z Wyniki  n iektórych  pom iarów  Jacqa  zestawiono  w  tablicy  1. Tablica  1 [2] M aterial Ż elazo armco Miedź Aluminium Aluminium <5 mm 6 7 10 20 E kcal/ m2h 21  500 19 000 30  000 32  500 At (teoret.) °C 1,3 0,20 0,95 2 AT m (eksper.) °C 24 16 18 19 r' F (teoret.) s 0,7 0,12 0,37 1,5 T' (eksper.) s 9 9 10 10 Otrzym an e  wyniki  wskazują   n a  zasadnicze  róż nice  mię dzy  wartoś ciami  teoretycznymi At  i  r' F   a  eksperym en taln ym i  AT m   i  T '\   róż nice  te  nie  zależą   od  gruboś ci  próbki  (był y badan e  pró bki  do  d  =  100  m m ) . t[°c] 80 6 0 W t[°C] 80 6 0 40 10 • (5 20 25 T [S] / Ogrzewanie  -, tr' .Przerwanie (ogrzewania IS fir Rys.  6 Rys.  7 N a  rys.  6  pokazan y  jest  przebieg  tem peratur  w  próbce  z  ż elaza  arm co  o  gruboś ci EKT  5KAKA B  cTaT^e  n pefldaBjieH   o63op  pa6oT  n o  H ccjiefloBaH iiaM,  cBfl3ai- iHLiM   c adnbeKTOM SchdieKT  >KaiK. >KaKa,  a  TaK>Ke  U OIIBITKH   leopeT im ecK oro  oSŁHCHeHHH  3Toro  HBneroiH   Ha  ocH ose TeopHH   3JieKTpoH H oro  ra.3a  B meTajinax  ( K an cep )  H JI H   rn n o T e  3ticymecTBOBaHHH   c n e ^ i a n t n o r o flH KaKa  B TeopH ii  TeimooSiweHa  H   nojrqepKiiBaeTCH H OCTŁ  3 T 0 H S u m m a r y TH E  JACQ'S  E F F E C T A  survey  is  given  of  the  investigations  concerned  with  the  Jacq's  effect. The  Jacq's  is  an  anomaly  of  temperature  distribution  within  thin  sub- surface  layer  (100  / J.m)  of  the metal  wall;  the  temperature  giadients  within  this  layer  are  n ot  in  accordance  with  F ourier's  law  of  heat conduction.  The results  of  experiments  performed  by  Jacq  and  his  attemps  to  interpret  the phenomenon theoretically  taking  as  a basis the theory  of fluctuations  of free- electron  gas  in  metals  (Kaiser)  or  a  hypo- thesis  of  retrodifision  in  solids  (Lucas)  are  described. The  importance  of  Jacq's  effect  in  heat  transfer  has  been  dealt  with  and it has  also been stressed that the  problem  provides  forum  for  discussion. POLITECHNIKA  WARSZAWSKA INSTYTUT  TECHNIKI  CIEPLN EJ Praca został a  zł oż ona  w  Redakcji  dnia  26  czerwca 1967  r.