Определение коэффицента теплопроводности твердых тел

• Название: Определение коэффицента теплопроводности твердых тел
• Дата: 08.02.2023
• Размер: 311.9 Kb.
• Имя файла: 18_otchet_Antonova.docx
• Тип: Лабораторная работа; #927370

Министерство образования и науки Российской Федерации


Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
Санкт-Петербургский горный университет
Кафедра общей и технической физики

Лабораторная работа № 18

По дисциплине: ФИЗИКА______________________________

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

Тема: Определение коэффицента теплопроводности твердых тел
Выполнил: студент гр. АХ-22 _________ /Кувакин М.В./

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

Дата:
Проверил: _______________ ________ /__________/

^{(должность) (подпись) (Ф.И.О.)}

Санкт-Петербург

2022

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

2.Краткие теоретические сведения:

Явление, изучаемое в работе: теплопроводность.

Определения:

Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.

Температура - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы и определяющая направление теплообмена между телами, [Т]=К.

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала.

Теплопроводность — это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения.

Энергия— скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие.

Коэффициент теплопроводности - физическая величина, характеризующая и численно равная плотности потока энергии при градиенте температуры равном единице.

Законы и соотношения:

Закон Фурье: В установившемся режиме поток энергии, передающийся посредством теплопроводности, пропорционален градиенту температуры:

q= −

где, q (Вт/ ) - плотность теплового потока – величина, определяемая энергией, переносимой в форме теплоты в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х, 

 – теплопроводность (Вт/(м*К),

– градиент температуры, равный скорости изменения температуры на единицу длины х в направлении нормали к этой площадке (К/м). 

Знак минус показывает, что энергия переносится в направлении убывания температуры.

Градиент температуры внутри пластины направлен перпендикулярно к ее свободным поверхностям, поскольку они являются поверхностями постоянной температуры. В том же направлении происходит перенос тепла.

, где

[Q]-Дж-поток тепла, переносимый через плоскую поверхность [S]-
3.Схема установки




1)Нагреватель

2,3)Пластины

4)Холодильник

5)Теплоизоляционный кожух

6)Блок питания

7)Термостат

8,9,10)Термопары

11,12,13)Табло
4.Основные расчетные формулы:

Коэффициент теплопроводности исследуемого материала:

, где

- коэффициент теплопроводности первой пластины [ ]-Вт/м Кб

- коэффициент теплопроводности второй пластины [ ]-Вт/м Кб

- перепад температуры от 1 к 2 [ ]-K

- перепад температуры от 2 к 1 [ ]-K

- толщина 1 пластины [ ]-м

- толщина 2 пластины [ ]-м

Нахождение перепада температур:

и , где

- температура 1 пластины [ ]-

- температура 2 пластины [ ]-

- температура 3 пластины [ ]-

Среднее значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала:

, где

 - среднее значение , n- количество измерений.

Исходные данные:

Эталонная пластина – Железо

, = 0,01 м, = 0,013 м, =55 Вт/м К

Погрешности прямых измерений:

△T= 0,01 , U=1В, d=0,00001 м, I=0,01A

Погрешности косвенных измерений:

Относительная погрешность коэффициента теплопроводности:


5.Таблица №1 «Результаты измерений и вычислений»

Физ.велич. Ед.измерения	U, B				, K	, K	Вт/мК	Вт/мК
1	25	20,09	20,03	20,00	0,06	0,03	48,10	59,76
2	50	20,16	20,06	20,00	0,1	0,06	57,72
3	75	20,79	20,31	20,00	0,48	0,31	62,13
4	100	21,4	20,54	20,00	0,86	0,54	60,40
5	125	22,19	20,86	20,00	1,33	0,86	62,20
6	150	23,15	21,24	20,00	1,91	1,24	62,45
7	175	24,29	21,69	20,00	2,6	1,69	62,53
8	200	25,61	22,21	20,00	3,4	2,21	62,53

6.Пример вычислений:
= 364 ( ) = (62,53±3,74) Вт/м К

= (59,76±3,74) Вт/м К
Расчет погрешностей косвенных измерений:
=59,76 * ( ) =3,74 Вт /м К

Окончательный результат:
χ= (59,76±3,74) Вт /м∙К
Вывод: в ходе лабораторной работы был определен коэффициент теплопроводности исследуемой пластины χ=(59,76±3,74) Вт /м∙К), что соответствует стали (58 Вт /м К). При подведении большего количества тепла к системе, получаем более точный результат коэффициента теплопроводности. Полученный результат разнится с табличным на 3,1%.