Uniwersytet Warmińsko – Mazurski

w Olsztynie

WYDZIAŁ NAUK TECHNICZNYCH

Ćwiczenia laboratoryjne z Fizyki

ćwiczenie nr 55

Temat: Wyznaczanie współczynnika przewodnictwa cieplnego

Moszczyńska Paulina

Ledwochowska Kamila

TRiL rok I

grupa I/ VI

CZĘŚĆ TERORETYCZNA

Przepływ energii między ciałami może odbywać się przez

-          przewodzenie

-          unoszenie

-          promieniowanie

jako odrębny sposób utraty energii przez ciecze wymienia się ponadto parowanie.

Warunkiem przepływu ciepła jest różnica temperatur, dla konwekcji oraz przewodzenia musi istnieć materialny ośrodek kontaktujący. Przenoszenie energii przez promieniowanie odbywa się również w próżni.

Przewodzenie energii zwanej iloscią ciepła, polega na tym ze cząsteczki ciała o wysokiej temperaturze, a więc dużej średniej energii kinetycznej wprawiają za pośrednictwem sił międzymolekularnych w intensywniejsze drgania cząsteczki ciała o niższej temperaturze, czyli przekazują im część własnej energii kinetycznej. W ten sposób temperatura drugiego ciała wzrasta a pierwszego maleje. Proces ten stopniowo się rozszerza i trwa tak długo aż temperatury obu ciał się zrównają. Jeżeli chcemy aby źródło energii zachowało stałą oraz wyższą temperaturę musimy jego energię uzupełniać. W tym celu przekształcamy najczęściej energię uzupełnić. W tym celu przekształcamy najczęściej energię wiązań chemicznych lub energię elektryczną w energię ruchu drgającego. W ten sposób zapewniamy ciągły przepływ energii w kierunku ciała o niższej temperaturze.

Pod względem technicznym ciała można podzielić na przewodniki, izolatory, półprzewodniki. Kryterium takiego podziału stanowi wartość energii przenoszonej przez poszczególne ciała w jednostce czasu i w tych samych warunkach. Szczególnie dobrze energia przekazywana jest przez  drgania sieci krystalicznej, zwłaszcza w metalach. Łatwość przekazywania energii przez metale jest szczególnie duża. Dużej koncentracji swobodnych elektronów metale zawdzięczają też dobre przewodnictwo elektryczne. Zachodzi przy tym również dość znaczna dyfuzja elektronów. Zachodzi przy tym również dość znaczna dyfuzja elektronów o wyższych energiach drgań w kierunku odwrotnym. Zjawisko nie jest jednak symetryczne ze względu na nieco różną energię drgań w miejscach o różnych temperaturach ciała. Udział w przenoszeniu elektronów w przenoszeniu energii jest zresztą niewielki.

Jeżeli przez dany przekrój poprzeczny ciała przepływa w jednakowych odstępach czasu jednakowa ilość energii, to przepływ nazywamy ustalonym. Ilość ciepła przeprowadzanego wzdłuż odcinka x w jednostce czasu jest wprost proporcjonalna do pola przekroju S oraz róznicy temperatur na tym odcinku, a odwrotnie proporcjonalna do długości tego odcinka ponadto zależy w dużej mierze od rodzaju materiału.

W podręcznikach powyższy wzór bywa nazywany równaniem transportu energii. Występujący na ogół w tym równaniu znak minus przed współczynnikiem    nie oznacza ujemnej wartości tego współczynnika, lecz wiąże się z tym, że gradnient temperatury oznacza nie spadek a wzrost temperatury. Kierunek jest zatem ten sam co kierunek ruchu energii, ale zwrot przeciwny.

Współczynnik proporcjonalności   nazywamy współczynnikiem przewodnictwa cieplnego lub przewodnictwem właściwym materiału. Wyznaczenie współczynnika przewodności jest treścią tego ćwiczenia. Z równania wynika definicja współczynnika przewodności cieplnej.

  oznacza ilość energii przepływającej w jednostce czasu przez powierzchnię 1 m2, prostopadłą do kierunku przepłwu energii, przy spadku tempertury wynoszącym 1K na 1m.

Dla cieczy wartości współczynnika są ok.100 razy mniejsze od przeciętnej dla ciał stałych, a dla gazów – około 10 razy mniejsze niz dla cieczy. Współczynnik   wykazuje pewną zależność od temperatury. Na ogół rośnie z temperaturą, często jednak maleje, a nawet może mieć ekstrema.

Do wyznaczenia przewodnictwa cieplnego materiałów źle przewodzących energię np. materiałów sypkich lub cieczy. Badany materiał znajduje się w szczelinie pomiędzy dwoma metalowymi wspólosiowymi walcami. Wewnątrzny walec nagrzewany jest od grzejnika elektrycznego i przekazuje energię do walca zewnętrznego przez warstwę badanego ciała.

Temperatury T1 i T2 mierzymy termometrami rtęciowymi lub wycechowanym termografem umieszczając jedno ze spojeń na miejscu termometru T1, drugie w miejscu termometru T2. Wskaźnikiem będzie galwanometr, którego skala może być opisana w jednostkach temperatury lub w jednostkach prądu, przy czym powinna być dołączona krzywa cechowania termoogniwa z której można odczytać różnicę temperatur. Zatrzymanie się galwanometru jest  informacja że  T2  - T1= const, czyli że przepływ energii jest już ustalony. Wystarczy teraz odczytać wskazanie galwanometru i przerwać ćwiczenie.

Zagadnienie przewodnictwa cieplnego jest również ważne w budownictwie jak i w kuchni oraz w wielu dziedzinach przemysłowych. Ze względu na szczególne zastosowanie tego zjawiska w procesach wewnętrzenej i zewnętrznej regulacji termicznej zarówno organizmu człowieka jak i zwierząt.

CZĘŚĆ PRAKTYCZNA

...