Опис експериментальної установки

Дана лабораторна робота поставлена на базі вимірювача теплопровідності ИТ-λ-400, призначеного для вимірювання теплопровідності твердих тіл в режимі монотонного нагрівання. Вимірювання теплопровідності може проводитися при температурі від -100 до +400 °С (вимірювання при негативній температурі вимагають використання рідкого азоту). Випробуваний зразок має розміри: діаметр 15 ± 0,3 мм, висота від 0,5 до 5 мм. Границя припустимої основної погрішності ±10%. Зовнішній вигляд приладу показаний на рис.2.

Рис.2. вимірювач теплопровідності ИТ-λ-400 ( зовнішній вигляд): 1 - вимірник теплопровідності ИТ- λ -400 (1, а – блок живлення й регулювання; 1, б – блок вимірювальний); 2 - кнопка «Мережа»; 3 - сигнальна лампа «Мережа»; 4 - рукоятка автотрансформатора; 5 - кнопка «Нагрівання»; 6 - вольтметр; 7 - перемикач «Вимір»; 8 - перемикач «Температура»; 9 - сигнальна лампа регулятора; 10 - вимірювальна комірка; 11 – мікровольтметр

Теплова схема методу представлена на рис. 3. Досліджуваний зразок 4, пластина 2, пластина контактна 3 та стрижень 5 нагріваються тепловим потоком Q(τ), що подається від системи до основи 1. Бічні поверхні стрижня 5, зразка 4, пластин 2 та 3 адіабатично ізольовані. Тепловий потік, що проходить через переріз пластини 2 частково поглинається нею, а далі йде на нагрівання пластини 3, зразка 4 та стрижня 5.

Теплові потоки Q₀ (τ) та Q_Т (τ) для будь-якого рівня температури можуть бути виражені як відношення рушійної сили до опору, а у випадку теплопровідності - як відношення перепаду температури до теплового опору. Тепловим опором називається відношення товщини пластини до її теплопровідності:

Рис. 3. Теплова схема вимірювань теплопровідності за допомогою динамічного λ-калориметру. 1 - основа (нагрівник); 2 - пластина; 3 - контактна пластина; 4 - досліджуваний зразок; 5 - стрижень.

,

де h – висота зразка, що досліджується.

Тоді

де υ₀ - перепад температури на зразку; S – площа поперечного перерізу зразка; К_T - коефіцієнт пропорційності, що характеризує ефективну теплову провідність пластини 2; υ_T – перепад температури на пластині 2. Тепловий опір між стрижнем та пластиною визначається з співвідношення

,

де R₀ – тепловий опір зразка; R_K – тепловий опір контакту між зразком та тепловою системою, а також тепловий опір між системою та вимірювальними термометрами. Тоді тепловий опір зразка:

Параметр σ_с корегує теплові потоки з урахуванням теплоємності зразка і стрижня

,

де С₀ і С_с – теплоємності зразка і стрижня відповідно.

Параметри R_К та К_T не залежать від властивостей досліджуваного зразка і є сталими приладу. Перепади температур пов’язані з показаннями диференційних термопар їх чутливістю, тому замість відношення перепадів υ₀ та υ_T при вимірюванні однаковими термопарами можна використати відношення напруг на термопарах n₀ та n_Т. Тоді для визначення теплопровідності зразків малої теплоємності, порівняно з теплоємністю стрижня (σ_с<<1), можна використовувати співвідношення:

(1)