18 Определение теплопроводности твердого тела (пластина)

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профес-

сионального образования

Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)

Кафедра Общей и технической физики (лаборатория виртуальных экспериментов)

Определение теплопроводности твердого тела (пластина)

Методические указания к лабораторной работе № 18

для студентов всех специальностей

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2016

1

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

УДК 539.12

ФИЗИКА. Определение теплопроводности твердого тела (пла-

стина). Методические указания к лабораторной работе. Фицак В.В. / Национальный минерально-сырьевой университет ”Горный”. С-Пб, 2016, 19 с.

Методические указания к лабораторной работе курсу «Физика», «Определение теплоемкости твердых тел», предназначены для студентов бакалавриата направления подготовки 120700 «Землеустройство и кадастры».

С помощью методических указаний студент имеет возможность, в предварительном плане, ознакомиться с физическими явлениями, методикой выполнения лабораторного исследования и правилами оформления лабораторных работ.

Выполнение лабораторных работ проводится студентом индивидуально по

графику.

Табл. 5. Ил. 2. Библиогр.: 17 назв.

Научный редактор доц. Н.Н. Смирнова

© Национальный минерально-сырьевой университет ”Горный”, 2016 г.

2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Цель работы: определить коэффициент теплопроводности твердых тел методом сравнения с теплопроводностью эталонного материала.

Краткое теоретическое содержание

Поток тепла dQ, протекающего через однородную перегородку толщиной d и площадью S при разности температур T , определяется формулой

	Q S	T	[1]
		d

где - коэффициент теплопроводности, характеризующий свойства среды.

Значение коэффициента теплопроводности может быть определено непосредственно из формулы [1], если измерить на опы-

те величины dQ, dT, d и S. Однако точное определение dQ практически невозможно, поэтому в настоящей работе производится сравне-

ние теплопроводности исследуемого материала 1 с теплопроводностью некоторого другого эталонного материала с хорошо известным

значением коэффициента 2. При этом можно избежать измерения dQ. Суть метода следующая. Две пластинки, изготовленные из мате-

риалов с коэффициентами теплопроводности 1 и 2, зажимаются между стенками, температуры которых равны T1 и T2 и поддерживаются постоянными во время опыта. Если толщины пластинок (d1 и d2) 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

Q 1 S	T1		и		Q 2			S	T2
	d1								d2
Из [2] получаем окончательно									[2]
					d1		T2
			1						[3]
			2		d2
							T1

где dT1 и dT2 - перепады температур на пластинках.

3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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:

5	1	8
2		9
3
		10
4

4

11

12

13

7

6

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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) - dэт, толщина пластины (3) - dиссл. 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 блоку питания (6). Управление термостатом осуществляется с пульта блока питания

(7). Сопротивление спирали нагревателя R - 50 Ом, максимальная мощность - 800 Вт.

3.Холодильник (4) представляет толстую медную пластину, в которой просверлены каналы, по которым циркулирует вода из термо-

стата заданной температуры. Температура холодильника Tхол принимается равной температуре воды, установленной на термостате -

20 С, не регулируется. Вся установка в теплоизоляционном кожухе.

4. Температура поверхностей пластин измеряется термопарами (8),

(9) и (10), зажатыми между пластинами. Индикация температуры - на табло (11), (12) и (13) соответственно.

ЗАДАНИЕ

1.Запустите работу.

2.Запишите материал и толщину образцовой пластины.

3.Включите термостат в режим "НАГРЕВ" и "ЦИРК". Включите блок питания.

4.Если проводится эксперимент с металлическими пластинами, то установите напряжение 25 В. Для прочих материалов установите напряжение 10 В.

5

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

5. Дождитесь установления теплового равновесия. Для ускорения процесса можно использовать функцию программы "Скачок во

времени". Для металлических пластин достаточно 10 15 мин, для неметаллов - 30 40 мин.

6.Запишите разности температур на пластинах.

7.Повторяйте п.п.4 6 для напряжений:

- металлические пластины

25 В, 50 В, 100

В, 200 В.

- прочие материалы

10 В, 20 В, 35В, 50 В.

Физ. величина

U

T1

T2

T3

dT1

dT2

2

2ср

Ед. измерения

В

оС

оС

оС

К

К

Вт

м К

Вт

м К

Номер измерения

8.Рассчитайте для каждого значения напряжения коэффициент теплопроводности, найдите среднее значение.

9.По справочнику определите материал исследуемой пластины.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК УЧЕБНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Калашников Н.П. Основы физики. М.: Дрофа, 2004. Т. 1

2.Савельев И.В. Курс физики. М.: Наука, 1998. Т. 2.

3.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000.

4.Иродов И.Е Электромагнетизм. М.: Бином, 2006.

5.Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1998.

6