Молекулярная физика (2 семестр) Кл. / Лаб.№4 / Лабораторная работа №4

Бланк лабораторной работы

ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕСИТЕТ

Кольский филиал

ФИО: Климов Андрей Александрович							Наименование лабораторной работы: Лабораторная работа № 4 Определение коэффициента теплопроводности воздуха вблизи нагретой электрическим током нити
Факультет: Физико-энергетический
Курс, группа: 1курс, 1 группа							Цель работы: экспериментальное определение коэффициента теплопроводности воздуха, находящегося вблизи нагретой электрическим током нити
Этап работы	Оценка	Дата	Преподаватель
Допуск
Окончание					Принадлежности:
Итоговая оценка

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Теплопроводность - один из видов переноса теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым. Обычно этот процесс приводит к выравниванию температуры. Если же поддерживать разность температур неизменной, получаем так называемый стационарный процесс. Для стационарного одномерного процесса f (температура тела меняется лишь по оси 0,Х) имеем уравнение Фурье:

(4.1)

Здесь dQ— количество теплоты, переносимое за время dT через dS, нормальную оси ОД, в направлении убывания температуры; dT/dt . градиент температуры, x - коэффициент теплопроводности.

При теплопроводности перенос энергии осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от молекул, обладающих большей энергией, к молекулам, обладающим меньшей энергией. При малых значениях градиента температуры dT/dX (если температура мало меняется на расстоянии длины свободного пробега молекулы) коэффициент теплопроводности не зависит от градиента температуры, а зависит лишь от агрегатного состояния вещества, его атомно-молекулярного строения, температуры, давления.

Из молекулярно-кинетической теории идеального газа следует, что теоретическое значение коэффициента может быть рассчитано по формуле:

(4.2)

Здесь Р - плотность газа; - средняя статистическая скорость беспорядочного теплового движения молекул; - средняя длина свободного пробега молекул; С_V - удельная теплоёмкость газа при постоянном объеме. Для идеального газа имеют место соотношения.

(4.3)

где M₀ - масса молекулы; k - постоянная Больцмана; n - число молекул в единице объёма; S - эффективное сечение столкновений молекул.

Отсюда из (4.2) получим:

(4.4)

Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м·K).

Коэффициент теплопроводности вакуума

Коэффициент теплопроводности вакуума почти ноль (чем глубже вакуум, тем ближе к нулю). Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, тепло в вакууме передаётся с помощью излучения.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности  с удельной электрической проводимостью  в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

где  — постоянная Больцмана,  — заряд электрона.

Коэффициент теплопроводности газов

Коэффициент теплопроводности газов определяется формулой:

Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из не радиоактивных газов - у ксенона).

Закон Нью́тона — Ри́хмана — эмпирическая закономерность, выражающая тепловой поток между разными телами через температурный напор.

Плотность теплового потока (выражается в Вт/м²) на границе тел пропорциональна их разности температур (так называемый температурный напор):

Где   — коэффициент теплоотдачи - плотность теплового потока при перепаде температур на 1K, измеряется в Вт/(м²·К).