Определение коэффициента теплопроводности (сравнительный метод)

Лабораторная работа № 26

1. Цель работы: закрепление теоретических знаний по теме 5.4. “Явления переноса”

приобретение практических навыков в работе с термостатом и с термопарой,

изучение методики расчетов потока теплоты в процессе теплопроводности.

 

2. Порядок подготовки к выполнению работы изучить тему и материал лабораторной работы

 

3. Порядок выполнения лабораторной работы

 

4. Подведение итогов выполнения работы

предъявить результаты, подготовка и оформление отчета, заполнить таблички, произвести обработку результатов измерений

 

5. техника безопасности при выполнении лабораторной работы стандартная лабораторная

Принадлежности: 1) прибор для нагревания образцов, 2) 4 термопары, 3) гальванометр М-101, 4) термостат ТС 15, %) набор образцов, 6) штангенциркуль.

 

Введение. Из опыта известно, что количество тепла dQ, которое проходит вследствие теплопроводности через слой толщины dx, площади S при разности температур на границах слоя dt, пропорционально градиенту температур , площади S и времени dτ:

dQ = ,

где - коэффициент пропорциональности, который называется коэффициентом теплопроводности.

Для определения коэффициентов теплопроводности исследуется распределение температур между отдельными теплопроводными слоями многослойной стенки. Внутри каждого слоя можно считать, что температура изменяется по линейному закону и коэффициент теплопроводности не зависит от температуры. Такое предположение возможно при малой толщине слоя и небольшой разности температур на его границах.

В настоящей задаче рассматривается прохождение тепла через трехслойною круглую пластинку, толщина корой мала по сравнению с ее диаметром, что позволяет пренебречь потерями тепла через боковые поверхности.

Для каждого слоя пластинки (рис. 53) уравнение теплопроводности можно записать в виде

Q = ,

где Q – количество тепла, прошедшего от слоя с температурой t_n к слою с температурой t_n-1 за единицу времени, а – толщина слоя, S – его площадь.

Одно и тоже количество тепла Q 1) поступает с одной стороны на поверхности стенки В, 2) проходит все слои стенки, 3) выходит с поверхности А в окружающую среду. Тогда для каждого слоя стенки площадью S можно написать

Q = , (1)

Q = , (2)

Q = , (3)

где соответственно коэффициенты теплопроводности для каждого слоя. Разделив (1) и (3) на (2), получим

, . (4)

Зная коэффициент теплопроводности среднего слоя, можно определить его значения для других слоев, измерив толщину слоев и определив разности температур. Для большинства изоляционных материалов обнаружена зависимость коэффициента теплопроводности от температуры. Лишь в небольшом интервале измерений температур (порядка 10˚) можно считать коэффициент теплопроводности постоянным.

Описание установки. Постоянный поток тепла через трехслойную стенку осуществляется так: три слоя исследуемых веществ (рис.54) плотно зажимаются между двумя одинаковыми медными бачками, из которых нижний бачок N охлаждается проточной водой, а верхний М – нагревается водой, идущей из термостата через трубки АА₁. Для измерения температуры используются четыре одинаковые термопары I, II, III, IV, холодные спаи которых погружены в бачок с маслом К, охлаждаемый проточной водой через трубки ВВ₁.

Горячие спаи помещаются между кружками исследуемых веществ, по возможности ближе к центру. При всех измерениях меняется только средний кружок, а верхний и нижний всегда ставятся резиновые, так как только резина может дать соприкосновение по всей поверхности, несмотря на вложенную термопару, и исключить возможность теплообмена другим способом.

При определении теплопроводности пренебрегаем потерями тепла на краях кружков, что можно сделать, так как радиус кружков значительно больше их толщины и измерение температуры производится в центре кружка.

Ток в термопарах измеряется гальванометром G. Сила тока в термопарах пропорциональна разности температур горячего и холодного спаев, поэтому вместо (4) можно написать

, , (5)

где n₁, n₂, n₃, n₄ – показания гальванометра, соответствующие силе тока в термопарах. В задаче медно-константановые термопары из проволоки диаметром 0,2 мм

Измерения. В настоящей задаче определяются:

1. Коэффициенты теплопроводности резины в двух слоях при разных температурах сравнением с теплопроводностью эбонита, для которого

Дж /К ·м · с.

2. Коэффициент теплопроводности некоторого данного вещества сравнением с теплопроводностью резины, для которой значения берутся из первого измерения.

Перед началом работы следует по инструкции познакомиться с устройством и правилами работы термостата.

Включают термостат согласно инструкции. Когда температура воды в термостате достигнет 50 - 55˚ С, производят предварительный прогрев бачка М.

Для этого включают мотор термостата и 2-3 минуты прогоняют нагретую воду через бачок. Затем мотор выключают и нагревают воду в термостате до 60-65˚С. После этого снова включают мотор и пускают горячую воду через верхний бачок. Между бачками закладывают два кружка резины и между ними эбонит с известной теплопроводностью, измерив предварительно толщину каждого кружка. Между кружками прокладываются четыре термопары, после чего всю систему поджимают винтом Р.

Одновременно пускают холодную воду через нижний бачок. После 5-7 минут работы мотора и прогрева образцов можно производить измерения. Путем последовательного включения термопар на гальванометр, идя от холодного спая до самого горячего, ведут запись показания каждой термопары. Для получения надежных результатов следует перед началом записи измерений убедиться, что процесс теплообмена установился, т.е. показания отдельных термопар перестали зависеть от времени.

Закончив первую серию измерений, осторожно заменяют эбонитовый кружок на кружок из материала, коэффициент теплопроводности которого надлежит определить, и, прогрев его 7-10 минут, снимают показания со всех термопар, как и в первом измерении.

Обработка результатов. По известной теплопроводности эбонита из формулы (5) определяют коэффициенты теплопроводности резины для двух интервалов температур: - для температуры 10-15˚С – температура нижнего слоя и – для 60-65˚С. Из соотношения (5) определяется коэффициент теплопроводности исследуемого материала по известным значениям и для резины. Для измеряемых значений следует подсчитать величину ошибки.

 

Данные эксперимента занести в таблицу

 

n1	n2	n3	n4	a1	a2	λ1	λ2

 

 

ЛИТЕРАТУРА

Р.В.Поль, Механика, акустика и учение о теплоте, стр. 419, Гостехиздат, 1957.

 

СПЕЦИАЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Г.М.Кондратьев, Тепловые измерения, стр.110 – 134, Машгиз, 1957.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: