Работа № 18 Определение теплопроводности твердого тела (пластина)

Цель работы: определение коэффициента теплопроводности твердых тел методом сравнения с теплопроводностью эталонного материала.

Количество теплоты , протекающее за единицу времени через однородную перегородку толщиной и площадью при разности температур , определяется формулой

[1]

где - коэффициент теплопроводности, характеризующий свойства среды.

Значение коэффициента теплопроводности может быть определено непосредственно из формулы [1], если измерить на опыте величины , , и . Однако точное определение практически невозможно, поэтому в настоящей работе производится сравнение теплопроводности исследуемого материала с теплопроводностью некоторого другого эталонного материала с хорошо известным значением коэффициента . При этом можно избежать измерения . Суть метода следующая. Две пластинки, изготовленные из материалов с коэффициентами теплопроводности и , зажимаются между стенками, температуры которых равны и и поддерживаются постоянными во время опыта. Если толщины пластинок ( и ) достаточно малы по сравнению с наименьшим линейным размером их поверхности, то можно пренебречь потерей тепла через боковые поверхности. Тогда можно считать, что тепловой поток протекает только от горячей стенки к холодной через пластины. В этом случае

и [2]

Из [2] получаем окончательно [3]

где и - перепады температур на пластинках.

Зная теплопроводность материала одной из пластинок, используя формулу [3] легко определить на опыте теплопроводность другой пластинки. Необходимо помнить о том, что формула [3] получается в предположении сохранения теплового потока неизменным через обе пластинки, что оправдано при толщине, очень малой по сравнению с радиусом пластинки, и при теплоизоляции боковых поверхностей пластинок.

Экспериментальная установка

Схема установки изображена на рисунке ниже:

Назначение и характеристика основных элементов установки:

1. Установка состоит из пластин (2) и (3), зажатых между нагревателем (1) и холодильником (4). Пластина (2) изготовлена из материала с известным коэффициентом теплопроводности, пластина (3) - из исследуемого материала. Толщина пластины (2) - , толщина пластины (3) - . Форма пластин - диск, радиус 20 см, причем толщина пластины более чем в 10 раз меньше диаметра. Между всеми соприкасающимися поверхностями проложена термопроводящая паста.

2. Нагреватель (1) подключен к регулируемому источнику питания (5), управление которым осуществляется с пульта (14). Сопротивление спирали нагревателя - 50 ом, максимальная мощность - 800 Вт.

3. Холодильник (4) представляет толстую медную пластину, в которой просверлены каналы, по которым циркулирует вода из термостата заданной температуры. Температура холодильника принимается равной температуре воды, установленной на термостате - 20 С , не регулируется.

4. Температура поверхностей пластин измеряется термопарами (7), (8) и (9), зажатыми между пластинами. Индикация температуры - на табло (11), (12) и (13) соответственно.