Лабораторная работа № 1 Определение коэффициента теплопроводности методом плоского слоя

Цель работы: экспериментальное определение коэффициента теплопроводности исследуемого материала стационарным методом плоского слоя при различных значениях его средней температуры.

Основы теории

Теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты в телах, обусловленный наличием градиента температуры. Перенос энергии при этом осуществляется вследствие теплового движения и энергетического взаимодействия между молекулами, атомами, электронами, из которых состоит тело. В чистом виде теплопроводность имеет место только в твердых телах.

Так как тепловое состояние отдельных частей тела в процессе теплопроводности будет различно, то температура в разных точках тела является функцией координат и времени . Совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени называется температурным полем. Геометрическое место точек тела с одинаковой температурой образуетизотермическую поверхность. Изотермические поверхности не пересекаются. Они либо замыкаются сами на себя, либо обрываются на границе тела. Количество теплоты Q, проходящее в единицу времени через площадь изотермической поверхности F, называется тепловым потоком. Количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока

Вт/м².

Выделим на поверхности тела три изотермических поверхности с температурами ,. Изменение температуры будет наблюдаться в направлениях, пересекающих изотермические поверхности, напримерx, y, n (см. рис.1). Наибольшее изменение температуры имеет место в направлении нормали n к изотермической поверхности. Предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормалиназываетсяградиентом температуры

grad tК/м.

Рис.1. Изотермические поверхности. Градиент температуры

Тепловой поток и его плотность являются векторными величинами, направленными в сторону убывания температуры по нормали к изотермической поверхности, а градиент температуры направлен в противоположную сторону- сторону возрастания температуры. При передаче тепла теплопроводностью плотность теплового потока определяется на основании закона Фурье, согласно которому плотность теплового потока пропорциональна градиенту темпера­туры

, Вт/м²,

где  - коэффициент теплопроводности, Вт/м·К. Значение коэффициента теплопроводности представляет собой количество теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при градиенте температуры, равном единице. Он является физическим параметром вещества и характеризует его способность проводить тепло. Для различных веществ коэффициент теплопроводности  различен и зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры. Для большинства материалов зависимость  от температуры линейная, т.е.  = ₀·(1+ B·t), где ₀ - коэффициент теплопроводности при 0^оС, а В – постоянная, определяемая опытным путём.

Коэффициент теплопроводности газов лежит в пределах (0,005-0,5) Вт/м·К. С повышением температуры он возрастает (см. приложение, табл. П2, П5), а от давления практически не зависит /2/. Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит в пределах (0,08-0,7) Вт/м·К. С повышением температуры для большинства жидкостей он убывает, исключение составляют вода и глицерин. Коэффициент теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов лежит в пределах (0,02-3,0) Вт/м·К (см. приложение, табл. П3). С повышением температуры он также увеличивается. Для материалов с высокой плотностью и влажностью коэффициент теплопроводности может быть значительно выше. Материалы, имеющие  менее 0,2 Вт/м·К, часто применяют для тепловой изоляции и называют теплоизоляционными.

Коэффициент теплопроводности металлов лежит в пределах (20-400) Вт/м·К и с повышением температуры - убывает. Он также убывает при наличии в металлах различных примесей. Для чистой меди 395 Вт/м·К, для алюминия210 Вт/м·К.