37952

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ

Лабораторная работа

Физика

13 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 25 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ Цель работы Изучение явления теплопроводности и определение коэффициентов теплопроводности чистых металлов и сплавов. Если в неравномерно нагретых жидкостях и газах тепловая энергия передается преимущественно за счет конвекции при которой происходит перемещение вещества между областями с различной температурой то в твердых телах тепло переносится только за счет теплопроводности. Распространение тепловой энергии путем теплопроводности обусловлено хаотическим...

Русский

2013-09-25

2.23 MB

20 чел.

Содержание

1. Цель работы …………………………………………………………..4

2. Теория метода…………………………………………………………4

3. Описание установки…………………………………………………..8

4. Требования к технике безопасности………………………………..10

5. Порядок выполнения работы ………………………………………..10

6. Требования к отчету…………………………………………………12

7. Контрольные вопросы……………………………………………….12

Список литературы……………………………………………………..13

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 25

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ

  1.  Цель работы

Изучение явления теплопроводности и определение коэффициентов теплопроводности чистых металлов и сплавов.

  1.  Теоретическая часть

Теплопроводностью называется явление передачи тепла, не сопровождающееся переносом вещества и не связанное с излучением. Если в неравномерно нагретых жидкостях и газах тепловая энергия передается преимущественно за счет конвекции, при которой происходит перемещение вещества между областями с различной температурой, то в твердых телах тепло переносится только за счет теплопроводности. Распространение тепловой энергии путем теплопроводности обусловлено хаотическим тепловым движением частиц (электронов, ионов, атомов, молекул) в среде. Характер теплового движения частиц в веществе, а следовательно, и механизм теплопроводности зависит от его агрегатного состояния.

В газах теплопроводность осуществляется благодаря столкновениям между беспорядочно движущимися атомами или молекулами. В твердых телах механизм теплопроводности зависит также от того, является ли тело диэлектриком или проводником. В диэлектриках перенос тепловой энергии осуществляется за счет колебаний связанных атомов, образующих кристаллическую решетку, происходит как бы раскачивание медленно колеблющихся атомов более быстро колеблющимися (решеточная теплопроводность). В металлических материалах (чистых металлах и сплавах), являющихся хорошими проводниками, передача тепла может происходить как за счет решеточной теплопроводности, так  за счет электронной, обусловленной тепловым движением большого числа электронов проводимости. Теоретические оценки и экспериментальные данные свидетельствуют, что доля решеточной теплопроводности в чистых металлах составляет всего несколько процентов, то есть их теплопроводность в основном определяется теплопроводностью электронного газа.

Основным законом теплопроводности является закон Фурье, утверждающий, что в изотропной среде:

                                             q = - æ grad T,                    (2.1)

где q  вектор плотности теплового потока, модуль которого равен количеству теплоты, переносимой за единицу времени через площадку единичной площади; grad T – вектор градиента температуры, направленный в сторону ее наибольшего возрастания; æ – коэффициент теплопроводности, смысл которого заключается в том, что он численно равен количеству теплоты, преданному за единицу времени через единичную площадку в перпендикулярном ей направлении при единичном градиенте температуры. В основной системе единиц физических величин СИ æ измеряется в .

Различие в механизмах теплопроводности в зависимости от природы среды и ее состояния приводит к различию коэффициентов теплопроводности. Например, для металлических тел значение æ на несколько порядков превышают значения для жидкостей.

На теплопроводность разных металлических материалов влияет их химический состав, температура и ряд других факторов. Так, в металлических сплавах-растворах из-за преобладающего рассеяния электронов на искажениях кристаллической решетки, вызванных наличием чужеродных атомов, длина свободного пробега электронов будет уменьшаться пропорционально концентрации этих атомов. В результате доля теплопроводности электронного газа будет также уменьшаться, приближаясь по порядку величины к доле решеточной теплопроводности. Действительно,  коэффициент теплопроводности сплава константан (60 % меди + 40 % никеля), в котором атомы никеля частично замещают атомы меди, значительно меньше, чем у чистых меди и никеля.

Температурное поведение теплопроводности металлических материалов коренным образом зависит от интервала температур и длины свободного пробега электронов. Вблизи абсолютного нуля      æ ~ T; в области низких температур (меньше так называемой температуры Дебая TД) æ ~ T - 2; а в области высоких температур (где Т > TД) æ ≈ const.

В данной работе определяются и сравниваются коэффициенты теплопроводности четырех металлических материалов, один из которых является чистым металлом – алюминием, а три             других – сплавами. Два из них (сталь и нержавеющая сталь) относятся к сплавам на основе железа, а третий (латунь) – на основе меди (медь + 45 % цинка). Исследуемые вещества имеют форму пластин.

При изменении температуры только в одном направлении тепло будет переноситься только вдоль оси x, совпадающей с этим направлением. В этом одномерном случае вектор градиента температуры будет иметь только одну отличную от нуля проекцию – проекцию на ось x, равную , и количество теплоты dQ, переносимое через площадку dS, перпендикулярную оси x, по закону Фурье будет равно:

                               dQ = - æ  dS dt .       (2.2)

Через сечение пластины площадью S, расположенного перпендикулярно оси x, за единицу времени будет проходить тепловой поток мощностью

                                 W =  = - æ S     (2.3)

Из (2.3.) имеем:

                                  W dx = - æ S dT     (2.4)

Интегрируя это уравнение по всей толщине пластины l при перепаде температуры вдоль нее от T1  до T2.

                                   = - æ S dT ,    (2.5)

получаем:                                

                                       W l = æ S (T1T2) .      (2.6)

Откуда

                                            æ = .            (2.7)

Таким образом, если измерить подводимую к пластине мощность W в стационарном режиме (режим неизменного со временем распределения температуры вдоль пластины), то зная ее геометрические размеры и температуры T1 и T2 на концах, коэффициент теплопроводности материала пластины можно определить по формуле (2.7).

3.Описание установки

Общий вид установки и ее основные элементы показаны на рис.3.1 и 3.2. Установка содержит нагреватель 1 с тепловыделяющим элементом и радиатор 6 с вентилятором 7. Исследуемые образцы – металлические пластины 5 закрепляются на нагревателе и радиаторе

с помощью винтов 3 и гаек 4.

Рис.3.1

Рис.3.2.

Внутри винтов находятся датчики температуры: Д1 на нагревателе и Д2 на радиаторе. Все элементы модуля расположены на основании 8. Нагреватель, вентилятор и датчики через разъем 9 подключаются к измерительной системе.

Для определения теплопроводности образца измеряют мощность нагрева и установившуюся разность температур двух точек образца, разнесенных на расстояние 60 мм. Для уточнения тепловой мощности, поступающей в образец, следует определить мощность тепловых потерь в окружающую среду. Для этого к нагревателю вместо образца прикрепляют алюминиевую шайбу ( 30 х 5 мм), затем термостатируют нагреватель при температуре Т1, соответствующей режиму измерения теплопроводности, измеряют напряжение и ток в нагревателе и определяют мощность, необходимую для поддержания заданной температуры в отсутствие теплоотдачи через образец.

  1.  Требования к технике безопасности

В данной работе факторами повышенной опасности являются электрический ток (напряжение) и повышенная температура поверхности печи.

1. Перед выполнением работы внимательно ознакомьтесь с заданием и оборудованием.

2. Не работайте на установке без защитного заземления установки.

3. Немедленно сообщите преподавателю о замеченных неисправностях.

4. Не оставляйте работающую установку без присмотра.

  1.  Порядок выполнения работы

1. Установить в модуле 02 исследуемую пластину.

2. Нанести по 2 капли глицерина на поверхность печи и радиатора и по 1 капле – на пластину в месте контакта  с гайкой.

3. Соединить разъем “Термостат” ИСТ-3 с разъемом модуля 02 и включить сеть, при этом автоматически включится вентилятор под радиатором модуля и загорится 4-х разрядный цифровой индикатор.

4. Включите нагреватель и установите необходимую мощность ручкой регулятора “Нагрев”: для алюминиевого стержня –14-16 Вт, для латунного и стальных стержней – 8-10 Вт.

5. При подходе температуры Т1 к 70С застабилизируйте температуру регулятором “Температура” (добейтесь свечения двух индикаторов, зеленого и красного)

6. Снимая показания Т1 и Т2 через 1-3 мин., дождитесь стабилизации Т2 (обычно через 10-20 мин с дрейфом не более 0,2 град в минуту).

7. Определите установившееся значение ∆ Т = Т1 – Т2 и мощности нагрева W. Результаты занесите в табл. 5.1.

8. Замените пластину на шайбу, термостатируйте печь при температуре Т1′ близкой к установившемуся значению Т1, и определите мощность тепловых потерь W .

9. Определите теплопроводность материала, зная расстояние l между датчиками и площадь S  поперечного сечения пластины:

æ = (W - W΄) l / S (T1T2).

10.Сравните полученные экспериментальные значения коэффициентов теплопроводности для металлов и сплавов с табличными значениями  некоторых диэлектриков.

Таблица 5.1

Материал

t , мин.

Т1,  ºС

Т2,  ºС

Т,  ºС

I н,  мА

Uн, В

W, Вт

6. Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

  1.  номер, название и цель работы;
  2.  основные положения теории метода и расчетные формулы;
  3.  схему установки;
  4.  результаты измерений и расчетов;
  5.  выводы по итогам работы.

7. Контрольные вопросы

  1.  Какие виды теплообмена вам известны?
  2.  Что такое теплопроводность как физическое явление?
  3.  Сформулируйте основной закон теплопроводности.
  4.  Что такое тепловой поток, плотность теплового потока, градиент температуры?
  5.  В чем физический смысл коэффициента теплопроводности, в каких единицах в системе СИ он измеряется?
  6.  Как зависит механизм теплопроводности от агрегатного состояния вещества? В чем различие механизма теплопроводности для металлов и диэлектриков, для металлов и сплавов?
  7.  Как влияет химический состав сплава на коэффициент теплопроводности?
  8.  В чем суть метода определения коэффициентов теплопроводности?
  9.  Как зависит коэффициент теплопроводности металлических материалов от температуры?

  1.  Детлаф А.А., Яворский Б.М., Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989, с.115-118.
  2.  Савельев И.В. Курс физики. – М.: Наука, 1989, Т.1, с.274-278, 281-285.

3. Епифанов Г.И., Физика твердого тела. – М.: Высшая школа, 1977, с.107-112.

Список литературы

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М., Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989.

2. Савельев И.В. Курс физики. – М.: Наука, 1989, Т.1.

3. Епифанов Г.И., Физика твердого тела. – М.: Высшая школа, 1977.

8


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

68425. Экологические факторы 60 KB
  В числе факторов неживой природы присутствуют физические космические климатические орографические почвенные и химические компоненты воздуха воды кислотность и иные химические свойства почвы примеси промышленного происхождения. Содержание водяного пара в воздухе зависит от температуры...
68426. Экологические факторы окружающей среды. Абиотические факторы 282 KB
  В числе факторов неживой природы присутствуют физические космические климатические орографические почвенные и химические компоненты воздуха воды кислотность и иные химические свойства почвы примеси промышленного происхождения.
68427. Биотические и антропогенные факторы 46 KB
  Например в тканях дерева в древесине лубе коре развиваются многие грибы плодовые тела которых трутовики можно видеть на поверхности ствола; внутри листьев плодов стеблей травянистых и древесных растений живет множество насекомых и других беспозвоночных а дупла деревьев обычное место...
68428. Биотические факторы. Общие закономерности взаимодействия организмов и экологических факторов 283 KB
  Биотические факторы наземной и водной среды почв Биологически активные вещества живых организмов Антропогенные факторы Общие закономерности взаимодействия организмов и экологических факторов Понятие лимитирующего фактора.
68429. Виды и характер загрязнения окружающей среды 106.5 KB
  Источники загрязнения окружающей среды Загрязнение окружающей среды это поступление в среду любых веществ твердых жидких газообразных или видов энергии тепла шума радиоактивности в таких количествах которые оказывают вредное влияние на человека животных и растения...
68430. Экстремальные воздействия на биосферу 76 KB
  К экстремальным относят такие воздействия, которые создают неустойчивые и неблагоприятные условия существования человека и естественных экосистем и нередко приводят к их гибели. Экстремальные воздействия на природную окружающую среду могут иметь антропогенный...
68431. Виды природных ресурсов 30 KB
  Источниками энергии на нашей планете являются Солнце вода горючие полезные ископаемые тепло земной коры ветер. В середине 20 века эти природные источники энергии дополнились рукотворными расщепление атомных ядер. И хотя общее потребление энергии неуклонно возрастает участие в нём отдельных...
68432. Влияние загрязнения окружающей среды на здоровье населения 35 KB
  Основную тревогу вызывает разрушительное действие загрязнения биосферы на здоровье человека. Характер такого действия может быть самым различным: это прежде всего: 1 токсическое действие многих химических веществ приводящих к острому или хроническому отравлению организма.
68433. Экологический мониторинг 37 KB
  Переход биосферы в ноосферу предусматривает управление развитием общества, с одной стороны, и биосферы - с другой, что должно в будущем не только исключить всякие отрицательные последствия - природопользования, но и исправить те, что уже имели место.