Молекулярная физика (2 семестр) Кл. / Лаб.№4 / Лабораторная работа №4
.docxБланк 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; СV - 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).