Определение коэффициента теплопроводности металлов

Способ определения коэффициента теплопроводимости металлов, используемый в этой работе, основан на измерении количества теплоты Q, проходящего в единицу времени через поперечное сечение цилиндрического эталона. Как понятно: (1) где k – коэффициент теплопроводимости, а gradT – градиент температуры в направлении, перпендикулярном сечению эталона S. Всепостоянство градиента температуры обеспечивается нагреванием 1-го из торцов эталона в электронной печи с данной температурой и остыванием его второго торца проточной водой, имеющей постоянную температуру t, также термический изоляцией боковой поверхности эталона. Количество теплоты Q, переносимое через эталон и передаваемое воде в единицу времени, равно: (2) где m — масса воды, протекающей за единицу времени, c – ее удельная теплоемкость, t2 – температура, до которой греется вода, проходящая мимо охлаждаемого конца эталона. Пренебрегая утечкой тепла через боковую поверхность и, приравнивая друг дружке правые части формул (1) и (2), получаем последующее выражение для коэффициента теплопроводимости: (3) Примечание. Разность температур t1-t2 и t3-t4 комфортно определять 2-мя дифференциальными термопарами медь-константан, в цепь которых включены для измерения термоэлектродвижущей силы Е1 и Е2 однообразные гальванометры. В данном случае E1=k(t2-t1) и E2=k(t4-t3), где k – один и тот же коэффициент пропорциональности, а Е1 и Е2 – показания гальванометров. Таким макаром, в формуле (7) отношение разностей температур равно:

Описание установки Исследуемый эталон представляет собой сделанный из красноватой меди цилиндрический стержень 4, имеющий поперечник сечения мм. Один из торцов эталона помещен в печь 1. 2-ой его торец введен в стеклянный холодильник 3. Термоизоляция стержня осуществляется слоем асбеста шириной ~10 мм, на который насажена трубка 2. В стержне высверлены два гнезда, в которые через теплоизоляцию вставлены указатели температуры T3 и T4. (см. рис.)

рис. Проточная вода поступает в холодильник 3, омывает один из концов стержня и выходит через трубку с краном 6, в какой имеется гнездо для указателя температуры Т2. При помощи крана 6 регулируется расход воды. Вода поступает в холодильник из сосуда 7, в каком имеется отвод для поддержания в нем всепостоянства уровня воды. Сосуд 7 сверху открыт и в него вводится трубка, через которую из водопровода поступает вода, и указатель температуры Т1, созданный для измерения исходной температуры проточной воды.

Выполнение работы

  • Штангенциркулем измеряется расстояние L меж средними линиями термометров T3 и T4. Зная поперечник D стержня 4, вычисляем площадь сечения S:
  • (4)

  • Врубается нагреватель 1, при помощи автотрансформатора устанавливаем на нем 120 в, через холодильник 3 пропускается вода.
  • С помощью крана 6 устанавливается определенный расход воды в холодильнике, который измеряется при помощи секундомера и мензурки. Масса m воды, протекающая в единицу времени через холодильник, равна:
  • (5) где V – объем воды, вытекший за время , а — ее плотность.

  • После установки стационарного режима, которому соответствует неизменность показаний термометров Т1, Т2, Т3 и Т4, делается измерение температур t1 и t2 в сосуде 7 и на выходе холодильника 3, также температур t3 и t4 в гнездах термометров T3 и Т4. Две последние величины определяют градиент температуры повдоль стержня:
  • (6) где l – расстояние меж точками на стержне, в каких измеряются температуры t3 и t4. На основании формул (3) – (6) рассчитывается коэффициент теплопроводимости k: (7)