Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Водоснабжение и водоотведение»

Определение коэффициента теплопроводности твердого тела методом трубы

Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторной работы

по теории теплообмена

Уфа

2017

Приводится краткий теоретический раздел по теории теплопроводности и современная методика обработки данных. Описана лабораторная установка и представлен необходимый справочный материал.

Предназначено для студентов всех специальностей направления «Строительство» дневной, вечерней и заочной форм обучения.

Составители: : Гатауллина А.Р., доцент, к.т.н.

Кулагина О.В., доцент, к.т.н.

Райзер Ю.С., ассистент, к.т.н.

Рецензент: Клявлин М.С., проф., д-р хим. наук

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2017

Определение коэффициента теплопроводности твердого тела методом трубы

1. Цели работы

1. Углубление знаний по теории теплопроводности.

2. Изучение методики определения коэффициента теплопроводности твердых тел.

3. В результате работы должны быть усвоены физическая сущность процесса теплопроводности, содержание основного закона теплопроводности и его приложения к телам простой геометрической формы, понятие о коэффициенте теплопроводности и методах его определения.

2. Задание

1. Определить по предоставленным экспериментальным данным коэффициент теплопроводности твердого тела.

2. Найти графическую температурную зависимость коэффициента теплопроводности в виде λ= f(t_ср).

3. Найти аналитическую зависимость

3. Теоретические основы

Теплопроводность - основной вид передачи энергии в форме теплоты от одного тела к другому при их непосредственном контакте, когда оба тела имеют различную температуру, или от одной части тела к другой, если между ними существует температурный перепад.

1. Механизм теплопроводности в твердых кристаллических телах

Под теплопроводностью следует понимать процесс переноса теплоты через соприкосновение структурных частиц тела (атомов, молекул, электронов и др.). В разных средах механизм передачи теплоты может отличаться.

Например, перенос теплоты теплопроводностью в газах обусловлен двойными и тройными столкновениями молекул.

Для твердых диэлектриков теплопроводность связана с переносом тепловых колебаний частиц в виде упругих волн (фононов).

В металлах передача теплоты осуществляется в основном вследствие диффузии свободных электронов.

В чистом виде теплопроводность имеет место только в твёрдых телах.

В жидкостях и газах она сопровождается конвекцией.

Различают три группы твердых кристаллических тел: диэлектрики, проводники электрического тока и полупроводники - с принципиально различным механизмом теплопроводности.

В диэлектриках отсутствуют свободные электрические заряды электроны и, в зависимости от химической природы, их кристаллические решетки образованы из атомов или молекул. Эти частицы удерживаются в некотором положении равновесия, совершая относительно него колебания. Если такое тело нагреть в каком-либо месте, то в области с повышенной температурой частицы начнут колебаться более интенсивно, с большими амплитудами. Энергия этих колебаний будет передаваться соседним частицам, поскольку все частицы связаны между собой силами притяжения. В результате энергия теплового движения постепенно перейдет от одного слоя тела к дру­гому. Не трудно понять, что характер передачи тепловой энергии будет волновым (акустическим), обусловленным колебаниями частиц тела. Таким образом, при нагревании твердого диэлектрика в нем возникают волны, которые, отражаясь от внешних поверхностей тела и налагаясь друг на друга, образуют так называемую систему стоячих волн, энергия которых входит составной частью во внутреннюю энергию этого тела.

Описанный процесс теплопроводности диэлектриков протекает обычно достаточно медленно, поэтому теплопроводность их сравнительно мала.

Проводники электрического тока (главным образом металлы) отличаются от диэлектриков наличием свободных электронов, которые с некоторой средней плотностью разделяются между положительными ионами кристаллической решетки. Подобно молекулам газа, электроны переносят кинетическую энергию и играют, таким образом, главную роль не только в явлении электропроводности, но и в теплопроводности металлов.

Теплопроводность металлов в отличие от теплопроводности газов обусловлена еще и частичными тепловыми колебаниями кристаллической решетки (как и у диэлектриков). Эти тепловые колебания ионов кристаллической решетки создают помехи движению "электронного газа". Поэтому при нагревании металлов заметно уменьшается теплопроводность. Заметим, что эта же причина приводит к уменьшению электропроводности (к росту сопротивления) металлов с увеличением температуры.

В полупроводниках при низких температурах мало свободных электронов и перенос тепла имеет волновой характер, с ростом температуры число свободных электронов в полупроводниках увеличивается и проводимость тепла обусловливается смешанным электронно - волновым механизмом.

Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры внутри тела.