Введение

Физический практикум предназначен для подготовки к лабораторным занятиям студентов инженерно-технических, физико-математических и естественнонаучных специальностей вузов по разделу курса «Молекулярная физика» общего курса физики. Физический практикум помогает студентам глубже и подробнее ознакомиться с физическими приборами, а также овладеть основными методами точных измерений. Настоящее пособие включает описание 6 лабораторных работ, каждое из которых содержит краткое теоретическое введение, схему лабораторной установки, методику выполнения измерений. После описания всех работ приводится список необходимой литературы.

Использование данного пособия позволяет улучшить организацию лабораторных занятий, улучшить методическое обеспечение, а также образовательный уровень студентов по дисциплине «Физика».

Лабораторная работа №21 Измерение теплопроводности твердых тел

Цель работы: Определение коэффициента теплопроводности твердых тел.

Теоретическое введение

Если в разных точках тела температура различная, то энергия теплового движения микрочастиц (атомов, молекул, электронов) переносится в направлении уменьшения температуры, что ведет к выравниванию температур внутри тела. При этом в отличие от жидкостей и газов, не может возникнуть конвенция, т.е. перемещение массы вещества вместе с энергией. Теплопередача в твердом теле осуществляется за счет теплопроводности – переноса энергии от более нагретого к менее нагретому участку в результате теплового движения микрочастиц.

Атомы и ионы в узлах кристаллической решетки твердого тела совершают колебания, интенсивность которых зависит от температуры. Колебания передаются от одних частиц к другим с различными скоростями, что сопровождается переносом энергии их теплового движения. В теплопроводности проводников участвуют еще и свободные электроны, что объясняет известную закономерность: вещества с высокой электропроводностью имеют большую теплопроводность. Из опыта известно, что энергия теплового движения dQ,которая переносится вследствие теплопроводности через слой толщинойdx,площадьюSпри разности температур на границах слояdT за время, определяется законом Фурье

где - градиент температуры, численно равный изменению температуры, отнесенной к единице длины в направлении переноса энергии.

Знак «минус» указывает на то, что поток энергии направлен в сторону уменьшения температуры.

К – теплопроводность (или коэффициент теплопроводности) – константа вещества, численно равная энергии теплового движения микрочастиц, переносимой через единицу площади за единицу времени при температурном градиенте, равном единице.

Рисунок 1

Если образец (рисунок 1), толщиной х, площадьюSпоместить на поверхность нагревателя с постоянной температуройT_n, то через некоторое время установится стационарное состояние при котором

и закон Фурье можно представить в виде

(1)