Warszawa 02.04. 2003

SZKOŁA GŁÓWNA SŁUŻBY POŻARNICZEJ

LABORATORIUM Z FIZYKI

SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA NR C1

Wyznaczanie współczynnika przewodności cieplnej materiałów izolacyjnych

Wykonał:

str. pchor. Michał Gochnio

str. pchor. Tomasz Gajewski

DSZ-PK1 pl. 2

I .WSTĘP TEORETYCZNY

Współczynnik przewodności cieplnej λ określa ilość ciepła przepływającą pod wpływem różnicy temperatur 1K na drodze 1m przez powierzchnię 1m² badanych materiałów.

Wartość współczynnika λ dla różnych materiałów zawiera się w bardzo dużych granicach np.:

od (dobry izolator cieplny np. szkło)

do (dobry przewodnik np. miedź).

Współczynnik λ zależy od wielu czynników: od temperatury, warunków otoczenia, pola powierzchni, grubości a przede wszystkim od rodzaju materiału izolacyjnego. Znaczne różnice przewodności cieplnej dla różnych materiałów wymagają dokładnych pomiarów tej wielkości dla każdego materiału.

Pomiary przewodności cieplnej mogą być dokonywane w stanie nieustalonym (metody stanu uporządkowanego, metody fal cieplnych) i ustalonym. Jedna z najprostszych metod pomiaru przewodności cieplnej jest właśnie pomiar w stanie ustalonym. Przy tych pomiarach określa się bezpośrednio przewodność cieplną.

II.OPIS WYKONYWANEGO ĆWICZENIA.

CHARAKTERYSTYKA UKŁADU POMIAROWEGO.

Zasada pomiaru oparta jest na zjawisku przewodzenia ciepła w stanie ustalonym. Ciepło q(C) przewodzone jest przez płytę o powierzchni A (m²) oraz o grubości d (m), przy czym temperatura próbki materiału izolacyjnego od strony grzejnika i od strony chłodnicy są stałe.(stan ustalony), a ich różnica wynosi (K). Znając poszczególne parametry możemy obliczyć wartość współczynnika przewodności ze wzoru:

Próbki badanego materiału izolacyjnego umieszczamy między grzejnikiem a chłodnicą (układ termopar). Zakładamy, że całe ciepło wytwarzane w grzejniku jest odbierane w układzie chłodzącym, a straty ciepła przenikającego na boki są pomijane ze względu na niewielką grubość próbki w stosunku do jej powierzchni. Specjalnym odważnikiem równomiernie obciążamy układ. Grzejnik płytowy wykonany jest w taki sposób, że zapewnia równomierne wydzielanie się ciepła na całej powierzchni po obu jego stronach. Powierzchnia grzejna jest równa powierzchni blach po obu stronach grzejnika. Układ zasilany jest prądem stałym z zasilacza o stabilizowanym napięciu.

III Zasady pomiaru.

1. Wykonujemy pomiary geometryczne:

a) długość a i szerokość b blach miedzianych grzejnika

b) grubość d próbki materiału izolacyjnego przeznaczonej do badania

Wyniki oraz dokładność pomiarów zawarte są w tabeli 1

2. Składamy układ pomiarowy:

   1. chłodnica dolna

   2. próbka materiału

   3. grzejnik

   4. próbka materiału

   5. chłodnica górna

3. Włączamy obieg wody w ultratermostacie

4. Podłączamy miliwoltomierz cyfrowy do układu pomiarowego

Należy odczekać ok. 5 minut aż do wyrównania się temperatur po obu stronach grzejnika

5. Włączamy napięcie zasilania grzejnika i notujemy napięcie termoelektryczne podczas nagrzewania co 1 minutę dla górnej i dolnej płyty. Wyniki wpisujemy do tabeli .

Kończymy pomiary w momencie gdy przez 10 minut wskazania miliwoltomierza nie zmieniają się.

6)Notujemy napięcie U i natężenie I prądu zasilającego grzejnik oraz błędy pomiarowe w tabeli .

Wykonanie pomiarów

Wykonujemy pomiary geometryczne, a wyniki zapisujemy w tabeli nr1:

Długość blachy a [mm]		Szerokość blachy b [mm]		Grubość próbki d [mm]
227 227 228		226 227 227		3.7 4.0 3.5 3.8 4.0
aśr [mm]	227	bśr [mm]	226.6	dśr [mm]	3.8
aśr [m]	0,227	bśr [m]	0,2266	dśr [m]	0,0038
Δaśr [m]	0.002	Δbśr [m]	0.002	Δdśr [m]	0.0001

Napięcia termoelektryczne w procesie nagrzewania notujemy co 1min dla obu płyt wyniki zapisujemy w tabeli nr2. Pomiary kończymy w momencie ustalenia wymiany ciepła, gdy różnica temperatur po obu stronach grzejnika przez 10 min nie uległa zmianie.

Czas [min]
Napięcie termoelektryczne na płycie (między termoparami)	Górnej		0.11	0.23	0.32	0.4	0.47	0.52	0.57	0.61	0.65	0.68	0.7	0.73	0.74	0.76	0.77	0.79
	Dolnej		0.11	0.19	0.27	0.34	0.40	0.45	0.49	0.53	0.56	0.58	0.60	0.62	0.64	0.65	0.66	0.67

															32
0.8	0.8	0.81	0.82	0.82	0.82	0.82	0.82	0.82	0.82	0.82	0.82	0.82	0.82	0.82	0.82
0.68	0.69	0.69	0.70	0.70	0.70	0.71	0.71	0.71	0.71	0.71	0.71	0.71	0.71	0.71	0.71

IV. Wykonanie obliczeń

Średnią wartość napięcia termoelektrycznego obliczamy ze wzoru:

(bierzemy pod uwagę ostatnie wyniki pomiarów napięcia termoelektrycznego między termoparami)

czyli

następnie przeliczamy wartość średnią napięcia termoelektrostatycznego na odpowiadającą mu różnicę temperatury [K] (wartość wpisujemy do tabeli 2

(zdolność termoelektryczna termopary wynosi )

stąd wyliczamy również błąd bezwzględny pomiaru [K] który wpisujemy również do tabeli nr 3. Wynosi on:

Następnie wyliczamy współczynnik przewodności cieplnej ze wzoru ( wynik również wpisujemy do tabeli nr 2):

V. Rachunek błędów

Następnie przystępujemy do obliczenia błędów.

Obliczamy względny błąd procentowy B_p współczynnika metodą logarytmiczną:

Błąd bezwzględny współczynnika wynosi:

VI. Wnioski

Współczynnik przewodności cieplnej jest zależny od temperatury i materiału izolacyjnego, na którym przeprowadzamy ćwiczenie. Na dokładność wyznaczenia współczynnika przewodności cieplnej miały wpływ błędy systematyczne występujące przy pomiarze poszczególnych wielkości, a więc napięcia i natężenia prądu zasilającego układ grzejny, długości i szerokości powierzchni płyty grzejnej, grubości próbki oraz różnicy temperatur. Każdy z tych pomiarów miał określoną dokładność, jednakże największy wpływ na błąd pomiaru współczynnika l miały błędy względne pomiaru grubości próbki, a zaraz po nim natężenia prądu zasilającego układ grzejny oraz różnicy temperatur wynikający z dokładności miliwoltomierza cyfrowego.