Описание установки

Для определения коэффициента теплопроводности  служит прибор, схематически представленный на рис.1, где O – кипятильник; D – электрический нагреватель; Е – калориметр; L – металлический стержень,  которого требуется определить в настоящей работе (его длина l и поперечное сечение S указаны на стенде около прибора); FA и FB – металлические пластинки для увеличения контакта стержня с водой в кипятильнике и калориметре.

Доведя воду в кипятильнике при помощи электрического нагревателя D до кипения и добившись стационарного потока через стержень L, с помощью термометра Т измеряют в течение времени  повышение температуры воды в калориметре Е от некоторого начального значения Т₁ до конечного Т₂ (так как температура конца стержня, находящегося в калориметре, во время опыта повышается, то стационарность теплового потока, о которой здесь идет речь, лишь приблизительна).

За время  в калориметр (допустим, что отсутствуют потери в окружающий воздух) поступит некоторое количество тепла Q. Это количество тепла, с одной стороны, можно выразить формулой (1), с другой стороны, если отсутствуют потери тепла, то все количество тепла Q пойдет на нагревание калориметра, пластинки F и воды. Поэтому, обозначив через m и c – массу и удельную теплоемкость калориметра; через m₁ и c₁ – массу и удельную теплоемкость пластинки FB, находящейся в калориметре Е; и через c_в и M – массу и удельную теплоемкость воды в калориметре, Q можно записать:

Q = (mc + m₁ c₁ + c_в M)(Т₂ – Т₁).

Величину (mc + m₁c₁ + c_вM), Дж/К, представляющую суммарную теплоемкость системы, обозначим через С_. Тогда

Q = С_ (Т₂ – Т₁). (2)

Применяя формулу (1) для рассматриваемого количества тепла, нужно иметь в виду, что температура конца стержня, находящегося в калориметре, за время наблюдения изменяется от Т₁ до Т₂. Поэтому за температуру конца стержня, находящегося в калориметре, принимают среднюю его температуру:

.

В формуле (1) температура Т₃ = 100⁰С - температура кипящей воды в кипятильнике. С учетом указанных замечаний формула (1) примет вид:

. (3)

Приравнивая значения Q из (2) и (3), получим

, откуда

. (4)

Измерение и обработка результатов

1. Налить в кипятильник воды столько, чтобы уровень ее был ниже верхнего края кипятильника на 3 – 4 см.

2. Включить нагреватель D в сеть.

3. Через 5 мин. после начала кипения воды в кипятильнике налить в калориметр мензуркой 200 см³ холодной водопроводной воды. Перемешав воду в калориметре мешалкой, замерить ее температуру Т₁. Этот момент считать началом опыта. Поставить калориметр на подставку, которую поднять так, чтобы пластинка покрылась водой на 3 – 4 мм. Начать отсчет времени по часам.

4. Когда температура воды в калориметре повысится на 8 – 10^oС, прекратить отсчет времени и записать конечную температуру Т₂. В процессе нагревания воду в калориметре перемешивать, быстро поднимая и опуская калориметр.

5. Слить нагретую воду, промыть калориметр и, влив снова 200 см³ воды, повторить опыт еще два раза. По окончании опыта выключить нагреватель D.

ПРИМЕЧАНИЕ: вода в кипятильнике должна кипеть до конца измерений, чтобы температура Т₃ была постоянной.

6. Результаты опытов занести в журнал наблюдений.

Журнал наблюдений

Номер опыта	Время, , с	Температура, К			, Вт/(м•К)	< >, Вт/(м•К)
		В нижнем сосуде		В верхнем сосуде
		Т1, С	Т2, С	Т3, С
1
2
3

(l = 0.14 м – длина стержня; D = 0.017 м – диаметр стержня; C_Σ = 894 Дж/К).