Определение коэффициента теплопроводности металла

Тема: «Теплопроводность».

Цель работы:

- ознакомиться с одним из методов определения коэффициента теплопроводности твердых тел;

- экспериментально определить коэффициент теплопроводности образца, изготовленного из неизвестного сплава.

Содержание работы:

Объектом исследования является образец, представляющий собой круглую металлическую пластину, предметом – величина коэффициента теплопроводности образца.

Используя метод пластин, экспериментальным путем:

- определить коэффициент теплопроводности образца;

- выявить качественную зависимость коэффициента λ от температуры для исследуемого сплава.

Сделать выводы о точности экспериментального исследования.

Устройство и принцип работы лабораторной установки

Определение коэффициента теплопроводности материала проводится на установке, схема которой представлена на рис. 2.5.

Рис. 2.5

Установка состоит из корпуса 1, в котором расположен нагревательный элемент 2. Круглые пластины эталонного материала 4 и исследуемого образца 5, а также холодильник 6 собираются в пакет и специальным приспособлением 7 плотно прижимаются друг к другу. С целью уменьшения потерь тепла через торцы пластин на установке применена теплоизоляция 3. Температура пластин замеряется четырьмя термопарами 8, выведенными на милливольтметр 9 через переключатель 10. Степень нагрева пластин устанавливается при помощи переключателей ТВ1, ТВ2, ТВ3.

Экспериментальная часть работы

Все операции выполняются под руководством преподавателя и с соблюдением мер безопасности.

Последовательность проведения эксперимента:

- проверить заземление установки;

- заправить кювету холодильника кусочками льда с водой;

- подключить установку к сети переменного тока переключателем ТВ4 и включить слабый нагрев (ТВ1);

- через 10 мин после включения слабого нагрева измерить температуру поверхностей образца и эталона, записать показания;

- с интервалом между измерениями в 10 мин. провести замер этих температур при среднем ( ТВ2) и сильном (ТВ3) нагревах, записать показания;

- выключить подачу напряжения на нагреватель;

- привести установку в исходное состояние

Исходные данные

В лабораторной установке пластина эталона выполнена из материала Бр А5 (алюминиевая бронза состава: 95% Gu, 5% Al),образец – из неизвестного сплава. Для эталонной пластины зависимость коэффициента теплопроводности от температуры выражается эмпирической формулой:

λ _t = λ ₀ + α t = 78 + 0, 07 t ( Bт/м ·К).

Геометрические размеры эталона и образца одинаковы.

Расчетная часть работы

В данной работе для экспериментального определения коэффициента теплопроводности используется метод пластины, который прост, но недостаточно точен. Метод пластины основан на применении расчетной формулы для теплового потока через плоскую стенку:

=F ∆Т ,

где δ - толщина пластины, м;

∆T – разность температуры на поверхностях пластины , К.

Отсюда находим, что

λ = .

Следовательно, для опытного определения l необходимо знать геометрические размеры пластины (ее площадь F и толщи-

ну d), перепад температуры DТ по толщине пластины d и величину теплового потока .

Для нахождения используется тот же метод, только теперь известными являются коэффициент теплопроводности и размеры другой пластины (назовем ее эталонной), находящейся в плотном контакте с исследуемой. По замеряемой величине перепада температур определяется величина:

_эт = λ_эт F_эт .

При одинаковых площадях испытуемой и эталонной пластин и допущении, что потери тепла через торцы эталона и образца незначительны, можно записать равенство:

_эт = .

Тогда коэффициент теплопроводности испытуемого материала определяется из выражения

λ_обр = λ_эm .

Так как в данной лабораторной установке толщины эталона и образца одинаковы, то выражение для расчета коэффициента теплопроводности образца при обозначении температуры по шкале Цельсия будет иметь вид:

λ_обр = λ_эm .

По результатам измерений вычислить значение λ_обр для трех степеней нагрева и построить график зависимости коэффициента теплопроводности образца от температуры.

Результаты испытаний и расчета свести в таблицу.

Т а б л и ц а 2.3

Данные исследования

Величина	Степень нагрева
слабый	средний	сильный
Эталон (Бр А5)	t1
t2
Dtэт = t1 - t2
t ср эт = (t1 + t2)/2
lэт
Образец (неизвестный сплав)	t3
t4
Dt обр. = t3 – t4
t ср обр.= (t3 + t4)/2
l обр.

Содержание отчета

Отчет оформляется согласно требованиям п. 2.1.2 настоящего пособия. Кроме оформленного заголовка отчет должен содержать:

1. Схему и состав лабораторной установки.

2. Исходные данные.

3. Результаты измерений и вычисления.

4. Таблицу расчетных данных для всех степеней нагрева.

5. График зависимости l _обр от температуры.

6. Выводы.

В выводах указывается ориентировочный состав сплава образца на основании полученного графика и графика 1 из приложения.

Контрольные вопросы по теме лабораторной работы

1. Назовите назначение и состав лабораторной установки.

2. Перечислите порядок обработки экспериментальных данных.

3. Что понимается под теплообменом и какие виды теплообмена Вам известны?

4. Поясните, что понимается под температурным полем?

5. Дайте определение градиента температуры.

6. Запишите основной закон теплопроводности и проанализируйте его.

7. Раскройте физическую сущность коэффициента теплопроводности.

8. Перечислите, как осуществляется передача тепла теплопроводностью в металлах, жидких и газообразных телах.

9. Запишите и проанализируйте дифференциальное уравнение теплопроводности.

10. Каков смысл коэффициента температуропроводности?

11. Сформулируйте условия однозначности.

12. Поясните, как изменяется температура по толщине плоской однослойной стенки.

13.Поясните, как изменяется температура по толщине плоской многослойной стенки.

14. Поясните суть метода плоских пластин.

Лабораторная работа № 5.