Выполнение работы

1. Включите термостат, задайте необходимую рабочую температуру (70°). Откройте кран для пропускания проточной воды из водопровода через холодильник.

2. После установления рабочей температуры термостата и перед измерениями коэффициентов теплопроводности исследуемых материалов рекомендуется провести ряд предварительных экспериментов.

1. Экспериментально оцените время установления равновесного теплового потока в системе.

Для этого используется одна из термопар (любая), спай которой прижимается резиновой прокладкой к центру одной из сторон эталонной пластинки. Снимите зависимость температуры выбранной точки (в единицах ЭДС термопары U) от времени. Записывайте показания вольтметра через каждые 30 с в табл. 1. Измерения продолжайте в течение 10 мин. По графику, построенному по результатам ваших измерений, оцените величину времени установления равновесного теплового потока.

Таблица 1

t, с	0	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300	…	600
U, В

Все последующие измерения следует проводить после установления равновесных условий в установке.

2. Прокалибруйте применяемые в работе термопары. Для этого рабочие спаи всех термопар расположите в одной точке прибора (например, прижмите к центру одной из сторон эбонитовой пластинки). Следите, чтобы провода от каждой термопары шли параллельно и не касались друг друга. Показания вольтметра при подключении его к различным термопарам пропорциональны чувствительности термопар, которые могут несколько отличаться из-за различия в сопротивлениях спаев¹.

Если показания гальванометра а₁, а₂, а₃, а₄ будут заметно отличаться друг от друга, то отношение температур, входящее в формулу (3), следует вычислять по формуле

. (4)

где _1,_2, _3, ₄ – показания вольтметра, полученные во время опыта по измерению коэффициента теплопроводности. В этой формуле индексы при а_i и _i характеризуют номер термопары.

Величины а_i и _i должны быть получены при подключении вольтметра к одной и той же термопаре.

Формулу (4) студентам предлагается вывести самостоятельно. Следует подчеркнуть, что при определении безразмерного отношения t₂/t₁ абсолютные чувствительности термопар не представляют интереса и достаточно знать их относительные чувствительности.

3. Проверьте на опыте, в какой мере выполняется предположение о независимости коэффициента теплопроводности эталонного материала от температуры. Для этого в прибор зажмите пакет из двух одинаковых слоев пластинок эбонита, переложенных резиновыми прокладками. С помощью термопар измерьте разности температур на эбонитовых слоях. Эти слои находятся в различных температурных условиях. Если коэффициент теплопроводности не зависит от температуры, разности температур на слоях, как это следует из (3), должны быть пропорциональны их толщинам, т. е. отношение Толщины пластинок измерьте штангенциркулем.

Замечание. При выполнении этого пункта и при проведении основного опыта термопары помещайте в одном и том же порядке. Например, термопару №1 ближе к нагревателю – самой верхней, термопару №2 – следующей и т. д.

4. При выводе рабочей формулы (3) предполагалось, что тепловой поток через боковые стенки пластинок отсутствует. Можно поставить простой контрольный опыт, который даст представление о том, насколько хорошо выполняется сделанное предположение. Для этого рабочие спаи термопар прижмите к одной стороне какой-либо пластинки на разных расстояниях от её середины (например, на расстояниях  0, 1, 2 и 3 см). Чтобы избежать ошибок, связанных с теплоотводом самими проводами термопар, длины прижатых частей проводов всех термопар должны быть одинаковыми. С помощью вольтметра измерьте температуры всех спаев и постройте график распределения температур. Уменьшение температуры при удалении от центра, если оно наблюдается, обусловлено тепловым потоком через боковые поверхности.

   3. После проведения предварительных экспериментов приступите к основному опыту. Измерьте коэффициент теплопроводности прилагаемых образцов, таких как винипласт, текстолит, гетинакс или других материалов. Рекомендуется для каждого образца провести два измерения: I. располагая образец со стороны холодильника, а эталон – со стороны нагревателя; II. – в обратном порядке. Это позволяет выяснить, в какой мере коэффициент теплопроводности образца зависит от температуры.

Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 2.

Таблица 2

Название материала

№ опыта

dматериала, мм

dэбонита, мм

Показания термопар

Перепад температур Δt,В

χматериала, Вт/(м·К)

Δχматериала, Вт/(м·К)

U1, В

U2, В

U3, В

U4, В

Δ t мат-ла

Δt эбонита

винипласт

I

II

гетинакс

I

II

текстолит

I

II

4. Рассчитайте погрешности измерений (как среднее арифметическое из двух значений I и II) и запишите окончательные результаты измерения в виде для каждого исследуемого материала. Сделайте выводы по работе.