Вказівки до виконання роботи. Контрольні запитання

Лабораторна робота № 2.2. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ ТВЕРДИХ ТІЛ МЕТОДОМ РЕГУЛЯРНОГО РЕЖИМУ

Контрольні запитання

1. Який вигляд має графічна залежність потенціальної енергії взаємодії однієї пари молекул від відстані між ними?

2. Яке співвідношення між потенціальною і кінетичною енергією характерне для різних агрегатних станів речовини?

3. Яким є характер руху молекул у рідині? Що називають сферою молекулярної дії та вільною енергією?

4. Чим зумовлена практична нестисливість рідин? Якого розміру за порядком величини є поверхневий шар рідин?

5. Як напрямлена сила поверхневого натягу? У чому полягає фізичний зміст коефіцієнта поверхневого натягу та в яких одиницях він вимірюється?

6. Поясність температурну залежність коефіцієнта поверхневого натягу.

7. Чи мають коефіцієнт поверхневого натягу тверді тіла?

8. Поясність явище адсорбції. Що таке поверхнево-активні речовини? Де їх застосовують? Наведіть приклади.

Мета роботи: дослідити явища переносу; виміряти коефіцієнт теплопровідності ебоніту.

Для виконання роботи потрібно засвоїти такий теоретичний матеріал: явища переносу; теплопровідність.

Література: [ 1, т.1 §§ 15.3; 2, §§ 48; 3, вступ до розд.5, §§ 5.8–5.10; 4, т.1 §§ 112, 113; 6, §§ 4.11, 5.3.1, 5.3.3; 7, § 2.8].

У термодинамічних нерівновісних системах виникають необоротні процеси, які мають назву явищ переносу, унаслідок яких відбувається просторовий перенос енергії (теплопровідність), маси (дифузія) і кількості руху (внутрішнє тертя, або в’язкість). Для цих процесів характерним є те, що перенос енергії, маси та кількості руху завжди відбувається в напрямку, оберненому градієнту їхнього просторового розподілу, тобто система наближається до термодинамічної рівноваги.

Щоб експериментально визначити коефіцієнт теплопровідності , можна використати процес передавання теплоти в твердому тілі, оскільки закономірності такого процесу завжди пов’язані з коефіцієнтом теплопровідності.

Коефіцієнт теплопровідності можна знайти з основного рівняння, яке описує процес теплопровідності – рівняння Фур’є:

,

де – кількість тепла, що передається вздовж осі x крізь елемент площі за час за градієнта температури .

З рівняння Фур’є можна отримати:

і дати таке визначення фізичного змісту коефіцієнта теплопровідності: коефіцієнт теплопровідності чисельно дорівнює кількості теплоти, що переноситься через одиницю площі поперечного перерізу тіла за одиницю часу за градієнта температури, який дорівнює одиниці.

Практичне вимірювання величин, які входять в наведене рівняння Фур’є, пов’язане з певними труднощами, тому краще розглядати процеси, в яких можна легко i точно виміряти всі величини, що входять до розрахункової формули для визначення . Один з таких процесів – регулярний режим нагрівання.

Нехай нагріте до деякої температури тіло внесено в середовище, яке добре проводить тепло (наприклад, вода). Температура цього середовища підтримується сталою і дорівнює . Унаслідок теплопровiдностi різниця температур тіла та середовища постійно зменшуватиметься i в момент встановлення рівноваги дорівнюватиме нулю. Закон цього зменшення, тобто функція , залежить від розмірів та форми тіла, його теплофізичних властивостей, а також від того, як було нагріте тіло (рівномірно чи ні) перед початком досліду. У початковій стадії теплообміну цей закон є досить складним.

Поступово настає так званий регулярний режим нагрівання (чи охолодження), за якого різниця температур між будь-якою точкою зразка та навколишнім середовищем залежить від часу за експотенціальним законом:

. (2.2.1)

Величина у формулі (2.2.1) називається темпом нагрівання (чи охолодження) i пов’язана з властивостями тіла:

, (2.2.2)

де – коефіцієнт форми, що залежить від форми та розмірів тіла; – питома теплоємність тіла; – густина тіла. Для циліндра:

, (2.2.3)

де , – відповідно радіус i висота циліндра.

Таким чином, визначення коефіцієнта теплопровідності циліндричного зразка з відомими густиною речовини та питомою теплоємністю полягає у визначенні темпу нагрівання . З цією метою вимірюють різницю температур між зразком i зовнішнім середовищем у рiзнi моменти часу.

Згідно з рівнянням (2.2.1)

. (2.2.4)

t, с

lnD T

lnD T ₁

lnD T ₂

t₁

t₂

Рис.2.2.1

Залежність після настання регулярного режиму на графіку має вигляд прямої з кутовим коефіцієнтом (рис. 2.2.1).

Щоб знайти темп нагрівання , на прямолiнiйнiй ділянці графіка вибирають довільно (але на досить великій відстані одна від одної) точки 1 i 2. Для цих точок визначають моменти часу та , а також відповідні їм значення логарифмів різниці температур lnΔ T ₁ i lnΔ T ₂.

Тоді темп нагрівання розраховують за формулою:

. (2.2.5)

Після визначення темпу нагрівання можна знайти коефіцієнт теплопровiдностi:

. (2.2.6)

За середовище, в якому нагрівається зразок, доцільно взяти воду, яка кипить, оскільки, по-перше, в такому випадку забезпечується достатній теплообмін поверхні зразка з водою внаслідок перемішування, по-друге, температура води, що кипить, відома та не змінюється, коли зразок нагрівається.

Температуру вимірюють за допомогою або звичайного термометра, або диференціальної термопари і потенціометра постійного струму та самозаписувача.

Дата добавления: 2015-05-24