Кафедра общей и технической физики
(лаборатория виртуальных экспериментов)
ФИЗИКА
Определение теплопроводности твердого тела (пластина)
Методические указания к лабораторной работе № 18
Для студентов всех специальностей
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2017
Цель работы: определить коэффициент теплопроводности твердых тел методом сравнения с теплопроводностью эталонного материала.
Краткое теоретическое содержание
Поток тепла d Q, протекающего через однородную перегородку толщиной 
и площадью 
при разности температур 
, определяется формулой
[1]
где c - коэффициент теплопроводности, характеризующий свойства среды.
Значение коэффициента теплопроводности c может быть определено непосредственно из формулы [1], если измерить на опыте величины d Q, d T, d и S. Однако точное определение d Q практически невозможно, поэтому в настоящей работе производится сравнение теплопроводности исследуемого материала c1 с теплопроводностью некоторого другого эталонного материала с хорошо известным значением коэффициента c2. При этом можно избежать измерения d Q. Суть метода следующая. Две пластинки, изготовленные из материалов с коэффициентами теплопроводности c1 и c2, зажимаются между стенками, температуры которых равны T 1 и T 2 и поддерживаются постоянными во время опыта. Если толщины пластинок (d 1 и d 2) достаточно малы по сравнению с наименьшим линейным размером их поверхности, то можно пренебречь потерей тепла через боковые поверхности. Тогда можно считать, что тепловой поток протекает только от горячей стенки к холодной через пластины. В этом случае
и 
[2]
Из [2] получаем окончательно
[3]
где d T 1 и d T 2 - перепады температур на пластинках.
Зная теплопроводность материала одной из пластинок, используя формулу [3] легко определить на опыте теплопроводность другой пластинки. Необходимо помнить о том, что формула [3] получается в предположении сохранения теплового потока неизменным через обе пластинки, что оправдано при толщине, очень малой по сравнению с радиусом пластинки, и при теплоизоляции боковых поверхностей пластинок.
Экспериментальная установка
Схема установки изображена на рисунке ниже:
Назначение и характеристика основных элементов установки:
1. Установка состоит из пластин (2) и (3), зажатых между нагревателем (1) и холодильником (4). Пластина (2) изготовлена из материала с известным коэффициентом теплопроводности, пластина (3) - из исследуемого материала. Толщина пластины (2) - d эт, толщина пластины (3) - d иссл. Форма пластин - диск, радиус 20 см, причем толщина пластины более чем в 10 раз меньше диаметра. Между всеми соприкасающимися поверхностями проложена термопроводящая паста.
2. Нагреватель (1) подключен к регулируемому блоку питания (6). Управление термостатом осуществляется с пульта блока питания (7). Сопротивление спирали нагревателя R - 50 Ом, максимальная мощность - 800 Вт.
3. Холодильник (4) представляет толстую медную пластину, в которой просверлены каналы, по которым циркулирует вода из термостата заданной температуры. Температура холодильника Tхол принимается равной температуре воды, установленной на термостате - 20°С, не регулируется. Вся установка в теплоизоляционном кожухе.
4. Температура поверхностей пластин измеряется термопарами (8), (9) и (10), зажатыми между пластинами. Индикация температуры - на табло (11), (12) и (13) соответственно.
ЗАДАНИЕ
1. Запустите работу.
2. Запишите материал и толщину образцовой пластины.
3. Включите термостат в режим "НАГРЕВ" и "ЦИРК". Включите блок питания.
4. Если проводится эксперимент с металлическими пластинами, то установите напряжение 25 В. Для прочих материалов установите напряжение 10 В.
5. Дождитесь установления теплового равновесия. Для ускорения процесса можно использовать функцию программы "Скачок во времени". Для металлических пластин достаточно 10¸15 мин, для неметаллов - 30¸40 мин.
6. Запишите разности температур на пластинах.
7. Повторяйте п.п.4¸6 для напряжений:
- металлические пластины 25 В, 50 В, 100 В, 200 В.
- прочие материалы 10 В, 20 В, 35В, 50 В.
| Физ. величина | U | T 1 | T 2 | T 3 | d T 1 | d T 2 | c 2 | D c 2ср |
| Ед. измерения Номер измерения | В | оС | оС | оС | К | К | 
|
|
8. Рассчитайте для каждого значения напряжения коэффициент теплопроводности, найдите среднее значение.
9. По справочнику определите материал исследуемой пластины.
библиографический список учебной литературы
1. Калашников Н.П. Основы физики. М.: Дрофа, 2004. Т. 1
2. Савельев И.В. Курс физики. М.: Наука, 1998. Т. 2.
3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000.
4. Иродов И.Е Электромагнетизм. М.: Бином, 2006.
5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1998.