Лабораторная работа № 29 Измерение теплопроводности

Цель работы:

Измерение коэффициента теплопроводности твердых тел.

Оборудование:

Теплоизолированный корпус со сменными стенками, лампа накаливания с термостатирующим блоком питания, , термопары, мобильные измерительные приборы Cobra4Mobile-Link, секундомер.

Продолжительность работы – 4 часа.

Теоретическая часть.

При нарушении равновесия в системе она стремится вернуться в состояние равновесия. Происходящие при этом процессы носят название явлений переноса, так как они связаны с перемещением в пространстве энергии, массы, электрического заряда и т.д. К явлениям переноса относятся теплопроводность, диффузия, электропроводность и другие. В данной работе исследуются явления, связанные с теплопроводностью твердых тел.

Для количественного описания процессов переноса используется понятие потока. В случае явления теплопроводности это поток тепловой энергии или тепловой поток.

Тепловым потокомназывается количество тепловой энергии, протекающей через единицу площади в единицу времени:

В соответствии с определением единицей измерения теплового потока является 1 Вт/м².

Как уже отмечалось, необходимым условием возникновения теплового потока является отсутствие в системе теплового равновесия, т.е. неодинаковость температуры в различных точках среды. В этом случае говорят, что в системе имеется градиент температуры. В данной лабораторной работе градиент температур создаётся с помощью нагревателя, помещённого внутрь теплоизолированного корпуса. Рассмотрим протекание тепла через его стенку, изображённую на рис.1.

Рис.1 – Протекание тепловой энергии через стенку теплоизолированного корпуса.

Введём следующие обозначения:

– температура воздуха внутри корпуса;

– температура внутренней поверхности стенки;

– температура внешней поверхности стенки;

– температура воздуха в помещении;

d– толщина стенки.

Перенос тепловой энергии в этой ситуации складывается из трёх процессов:

1. Теплопередача воздух-стенка внутри корпуса. Экспериментально установлено, что тепловой поток линейно зависит от разности температур:

(1)

где α₁– внутреннийкоэффициент теплопередачи.

2. Теплопередача стенка-воздух с внешней стороны. По аналогии с предыдущим пунктом:

(2)

где α₂– внешний коэффициент теплопередачи.

3. Теплопроводность в стенке. Данный процесс определяется не только разностью температур, но и толщиной стенки. Эмпирически установленная зависимость:

(3)

где λ – коэффициент теплопроводности.

Если перенос тепла происходит в установившемся режиме, т.е. температуры исо временем не изменяются, то тепловой потокв формулах (1) – (3) одинаков. Учитывая этот факт и исключая из этих уравненийи, получим:

(4)

где k–коэффициент теплопередачи, определяемый формулой:

(5)

Величина, определяемая соотношением

(6)

Называется коэффициентом термопередачи. В этих обозначениях соотношение (5) принимает вид:

(5)

Величины, обратные α,kиΛ, называютсятермическими сопротивлениями теплоотдачи,теплопередачиитеплопроводностисоответственно.

Описание установки

Общий вид экспериментальной установки приведён на рис.2.

Рис. 2 – Внешний вид установки. 1 – теплоизолированный корпус; 2 – съёмные стенки; 3 – термостатирующий блок питания; 4 – разъём термодатчика; 5 – розетка питания внутренней лампы накаливания; 6 – переносная лампа накаливания для внешнего нагрева; 7 – термопары; 8 – измерительные приборы Cobra4Mobile-Link; 9 – отверстия для ввода термопар; 10 – секундомер.

Теплоизолированный корпус (поз.1 рис.2) собирается из съёмных панелей-стенок (поз.2 рис.2). В комплекте оборудования имеются стенки из древесины, пенопласта, обычного и теплоизолированного стекла. Кроме однородных стенок в эксперименте также могут использоваться и многослойные стенки из различных материалов.

Для нагрева корпуса изнутри используется стоваттная лампа накаливания с кожухом. Её питание осуществляется от розетки (поз.5 рис.2), расположенной на лицевой панели термостатирующего блока питания (поз.3 рис.2), благодаря которому внутренняя температура корпуса поддерживается постоянной. Датчик температуры прикреплён к кожуху лампы накаливания и подключен к блоку питания через пятиконтактные разъёмы, расположенные на дне и на боковой стенке корпуса (поз.4 рис.2).

Для нагрева стенок корпуса снаружи может использоваться переносная лампа накаливания мощностью 120 Вт (поз.6 рис.2).

Измерение температуры в различных точках установки осуществляется с помощью четырёх термопар (поз.7 рис.2), попарно подключенных к двум измерительным приборам Cobra4Mobile-Link(поз.8 рис.2). Краткая инструкция по работе с этими устройствами приведена в Приложении 1 Отверстия в угловой стойке экспериментального корпуса (поз.9 рис.2) служат для введения в него термопар. Измерение времени производится с помощью секундомера (поз.10 рис.2).