Федеральное агентство по образованию Архангельский государственный технический университет

Теплопроводность

ДИЭЛЕКТРИКОВ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по физике

Архангельск

2009

Рассмотрены и рекомендованы к изданию методической комиссией факультета промышленной энергетики Архангельского государственного технического университета

Автор-составитель А.И. Аникин, доц., канд. техн. наук

УДК 533

Аникин А.И. Теплопроводность диэлектриков: методические указания к выполнению лабораторной работы по физике. – Архангельск: Арханг. гос. техн. ун-т, 2009. – 10 с.

Подготовлены кафедрой физики АГТУ.

В указаниях кратко изложены основы теории теплопроводности твердых тел, дано описание экспериментальной установки для измерения коэффициента теплопроводности диэлектриков, а также методики выполнения работы и обработки результатов измерений.

Предназначены для студентов инженерно-технических специальностей вузов.

Ил. 3. Табл. 3. Библиогр. 4 назв.

© Архангельский государственный

технический университет, 2009

© А.И.Аникин, 2009

1 Теоретические положения

Термодинамической системой называют совокупность тел, имеющих непосредственное отношение к рассматриваемой термодинамической задаче. Всякая термодинамическая система может находиться в различных состояниях, отличающихся значениями температуры, давления, объема, концентрации и т.д. Такие величины, характеризующие состояние системы, называют параметрами ее состояния. Под термодинамическим процессом понимают всякое изменение состояния рассматриваемой термодинамической системы, при котором происходит изменение ее параметров.

Равновесным состоянием термодинамической системы называют такое состояние, при котором все параметры ее состояния при неизменных внешних условиях остаются неизменными сколь угодно долго. В термодинамически неравновесных системах возникают необратимые процессы, которые называют явлениями переноса. К явлениям переноса относят теплопроводность, диффузию, внутреннее трение.

Теплопроводность обусловлена переносом энергии в форме теплоты без переноса вещества и возникает при наличии разности температур, вызванной какими либо внешними причинами. Если тело нагрето неравномерно, то происходит перенос теплоты от его более нагретых участков к менее нагретым. Если передача теплоты не сопровождается переносом вещества, то такой процесс называют теплопроводностью.

Перенос теплоты путем теплопроводности подчиняется закону Фурье

, (1)

где коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К);количество теплоты, проходящей за времячерез плоскую изотермическую поверхность площадью, расположенную перпендикулярно оси, Дж;градиент температуры в направлении оси, К/м.

Знак « – » в этой формуле отражает то обстоятельство, что теплота переносится в направлении убывания температуры.

Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества и в общем случае зависит от температуры, давления и рода вещества. Коэффициенты теплопроводности большинства металлов в области температур, близких к 300 К, имеют значения, находящиеся в пределах от 20 до 400 Вт/(м∙К). Коэффициенты теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов находятся в пределах от 0,02 до 3 Вт/(м∙К).

Теплопроводность металлов обусловлена в основном свободными электронами, которые можно рассматривать как своеобразный электронный газ, к которому применимы законы идеальных газов. В результате постоянных соударений свободных электронов с атомами происходит перенос избыточной энергии из более нагретых частей твердого тела в менее нагретые. Этот процесс сопровождается выравниванием температур.

В диэлектриках теплопроводность в основном обусловлена колебаниями атомов, находящихся в узлах кристаллической решетки. Такие колебания распространяются по кристаллу со скоростью звука. Распространение звуковых колебаний в кристалле сопровождается переносом энергии из более нагретых частей твердого тела в менее нагретые и выравниванием температур.