 |
Определение коэффициента теплопроводности
|
|
|
|
Твердых тел
Цель работы: определить коэффициент теплопроводности диэлектрика.
Методика эксперимента
Эксперимент проводится на установке (рис 2.7), состоящей из плитки П, колбы К1 с водой, коробки К2 с тремя отверстиями: 1 и 2 для подвода и отвода пара и третье - для термометра Т 1. Под сосудом К2 находится исследуемый образец, лежащий на стальном диске Д, принимающим тепло, прошедшее через образец. Диск Д имеет отверстие для термометра Т 2.
 |
Коэффициент теплопроводности l определяется по скорости охлаждения образца. Тепло, подведенное к диску Д за время D t, равно количеству теплоты, перенесенному через образец. Это положение и используется при определении коэффициента теплопроводности неметаллического образца, слабо проводящего тепло.
Количество теплоты, излучаемое диском:
(2.24)
где c – удельная теплоемкость вещества; m – масса образца; D Т – разность конечной и начальной температур (D Т = Т 2 - Т 1).
Преобразуем (2.24), введя скорость охлаждения 
:
,
где D t – время излучения.
При удаленном образце (слабо проводящем тепловое излучение), излучающей поверхностью диска является его полная поверхность S 1 (два основания и боковая поверхность):
,
где r – радиус диска; h – толщина диска.
При этом поток излучения 
будет равен
.
Убранный на теплоизолирующую подложку при установившейся температуре Т 2, диск Д излучает только с поверхности S 2 (одно основание и боковая поверхность), то есть с той же поверхности, что и при контакте с образцом
.
Проведя преобразования и учитывая, что D = 2 r, получим:
. (2.25)
Если концы твердого тела поддерживаются при разных температурах, то некоторое количество теплоты Q переносится от более нагретой части тела к менее нагретой.
|
|
|
Согласно закону Фурье
,
где l - коэффициент теплопроводности данного вещества; 
- градиент температуры (D Т = Т 2 – Т 1); S – площадь сечения образца; t – время.
В нашем случае площадь сечения образца равна 
, тогда формула (2.41) приобретает вид:
. (2.26)
Основываясь на том, что количество тепла, полученное диском Д, равно количеству тепла, потерянному поверхностью S 2 при температуре Т 2 (по модулю), приравниваем модули выражений (2.25) и (2.26):
.
Из последнего равенства получаем расчетную формулу для определения коэффициента теплопроводности исследуемого образца:
. (2.27)
Порядок выполнения работы
1. Включить в сеть нагреватель (плитку) П сосуда с водой (см. рис. 2.7).
2. Провести однократные измерения толщины исследуемого образца D x, диаметра D и толщины h стального диска.
3. Довести воду в сосуде до кипения, пропускать пар в коробку К2 до тех пор, пока температуры коробки Т 1 и диска Т 2 не перестанут изменяться.
4. Результаты измерений и постоянные установки занести в таблицу 2.5.
Таблица 2.5
| D | h | D x | T 1 | T 2 | Параметры |
| m = кг (масса диска) с = 460 Дж/кг×К (удельная теплоемкость диска) |
5. Удалить коробку К2 и образец со стального диска, поместив диск на подложку.
6. Через равные промежутки времени D t = 2 мин измерять температуру Т при охлаждении диска. Результаты измерений занести в таблицу 2.6.
Таблица 2.6
| t,мин | Т,°С | t,мин | Т,°С |
7. Построить график зависимости T = f (t).
Пример нахождения скорости охлаждения
Выберем на графике точку А. Ей соответствует некоторая температура Т¢. Скорость охлаждения 
представляет собой тангенс угла a наклона касательной в данной точке.
8. Построить касательную к произвольной точке графика T = f (t). Взять ее произвольный отрезок и построить треугольник с катетами D Т и D t. Найти отношение - скорость охлаждения образца.
|
|
|
9. По формуле (2.27) рассчитать коэффициент теплопроводности.
10. Сравнить результат экспериментального определения коэффициента теплопроводности с табличным значением.
11. Сделать вывод по проделанной работе.
Контрольные вопросы и задания
1. Объясните механизм переноса тепла (теплопроводности).
2. Запишите и объясните закон Фурье.
3. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности?
4. В каких единицах измеряется коэффициент теплопроводности?
Термодинамика
Молекулярно-кинетическая теория газов объясняет макроскопические свойства веществ путем детального разбора тех процессов, которые происходят на молекулярном уровне, и макроскопические величины имеют какие-то определенные значения лишь потому, что они являются средними значениями огромного числа отдельных элементарных процессов. Метод, который применяется при этом, – статистический метод.
Однако существует и другой способ описания тех же явлений. Такое описание возможно, если рассматривать их с позиции превращения одних видов энергии в другие. Этот раздел физики носит название«термодинамика». Термодинамика не входит в рассмотрение микроскопических процессов, но так же как молекулярно-кинетическая теория газов позволяет делать целый ряд выводов относительно их протекания. Законы, лежащие в основе термодинамики, с успехом применяются для исследования и физических, и химических процессов, для изучения свойств веществ и излучения. Основу термодинамики образуют два ее начала и тепловой закон Нернста (или третье начало термодинамики).
Первые два начала термодинамики позволяют:
· устанавливать количественные соотношения, имеющие место при превращениях энергии из одних видов в другие (первое начало);
· определять условия, при которых возможны эти превращения, и определять возможные направления процессов (второе начало).
|
|
|
