Magdalena Gawrońska
nr albumu 135743
Sprawozdanie z ćwiczeń laboratoryjnych
z fizyki
Pomiar przewodności cieplnej izolatorów.
Prowadzący ćwiczenia:
dr W. Kumala
Wstęp.
Jeżeli pomiędzy różnymi ciałami powstanie różnica temperatur to następuje samoistny przepływ ciepła w kierunku obszaru o niższej temperaturze i trwa on do chwili wyrównania się temperatur.
Istnieją trzy sposoby przenoszenia się ciepła:
promieniowanie,
konwekcja,
przewodzenie.
Wymiana ciepła przez promieniowanie polega na emisji promieniowania elektromagnetycznego wytworzonego kosztem ciepła oraz na powstaniu ciepła kosztem energii promieniowania. Wszystkie ciała mające temperaturę wyżej 0K są źródłami promieni w miarę wzrostu temperatury ciała, długość fali emitowanej promieniowaniem odpowiada max jego wartości natężenia przesuwającego się w stronę fal krótkich.
W przypadku konwekcji ciepło przenoszone jest wraz z cząstkami, co wiąże się ze zmianą gęstości wraz z temperaturą. Na ogół gęstość cieczy i gazów maleje ze wzrostem temperatury, powoduje to wypchnięcie ogrzanej części gazu lub cieczy ku górze, czyli jego konwekcję. Zjawisko to prowadzi do wyrównania temperatur.
Przewodzenie ciepła w ciałach stałych związane jest z innymi mechanizmami niż w rozpatrywanych wyżej przypadkach. Jeżeli przeciwległe ścianki płyty z danego materiału o powierzchniach S i grubości d1 mają odpowiednio temperatury T1 i T2 (T1>T2), to następuje przepływ ciepła w kierunku powierzchni o niższej temperaturze. Ilość ciepła przepływająca w jednostce czasu w stanie stacjonarnym wyrazi się wzorem:
k - współczynnik przewodności cieplnej, oznacza ilość ciepła przechodzącą w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni przy jednostkowym gradiencie temperatury (różnica temperatury 1K przypada na jednostkę grubości).
Z mikroskopowego punktu widzenia przewodzenie ciepła w ciałach stałych odbywa się poprzez drgania sieci krystalicznej i udział elektronów przewodnictwa, przy czym należy rozróżnić przewodnictwo cieplne metali i dielektryków.
Przewodnictwo cieplne dielektryków (izolatorów) jest uwarunkowane kolektywnymi drganiami atomów przybierającymi w krysztale postać fal.
Gdy na przeciwległych powierzchniach płytki izolatora powstanie różnica temperatur, to przepływ ciepła nastąpi wskutek przekazywania energii przez atomy o większej amplitudzie drgań, będące od strony powierzchni o wyższej temperaturze. Kolektywne drgania atomów powodują fluktuacje gęstości. Fale niosące energię ruchu cieplnego po napotkaniu takiego obszaru ulegają rozproszeniu. Rozproszenie będzie tym większe, im większa jest amplituda drgań atomów a zarazem im wyższa temperatura.
Wyniki i obliczenia.
Odbiornik ciepła.
Lp |
d [cm] |
Δ d [cm] |
2r [cm] |
Δ2r [cm] |
1 |
2,33 |
0,01 |
8,53 |
0,03 |
2 |
2,34 |
0,01 |
8,54 |
0,03 |
3 |
2,35 |
0,01 |
8,48 |
0,03 |
4 |
2,34 |
0,01 |
8,42 |
0,03 |
5 |
2,36 |
0,01 |
8,51 |
0,03 |
6 |
2,33 |
0,01 |
8,49 |
0,03 |
7 |
2,37 |
0,01 |
8,50 |
0,03 |
8 |
2,36 |
0,01 |
8,48 |
0,03 |
9 |
2,35 |
0,01 |
8,53 |
0,03 |
10 |
2,34 |
0,01 |
8,51 |
0,03 |
Średnia |
2,35 |
0,011 |
8,50 |
0,025 |
Tab.1. Wyniki pomiarów grubości płytki mosiężnej (d) i średnicy (2r).
d=2,35±0,011[cm]
r=4,25±0,025[cm]
Badane układy 1 i 2.
Lp |
d1 [cm] |
Δ d1 [cm] |
d2[cm] |
Δ d2 [cm] |
2r1,2 [cm] |
Δ2r1,2 [cm] |
1 |
4,10 |
0,01 |
2,13 |
0,01 |
8,02 |
0,02 |
2 |
4,07 |
0,01 |
2,14 |
0,01 |
8,01 |
0,02 |
3 |
4,08 |
0,01 |
2,12 |
0,01 |
8,03 |
0,02 |
4 |
4,06 |
0,01 |
2,13 |
0,01 |
8,02 |
0,02 |
5 |
4,08 |
0,01 |
2,16 |
0,01 |
8,02 |
0,02 |
6 |
4,08 |
0,01 |
2,15 |
0,01 |
8,03 |
0,02 |
7 |
4,06 |
0,01 |
2,13 |
0,01 |
8,01 |
0,02 |
8 |
4,06 |
0,01 |
2,12 |
0,01 |
8,02 |
0,02 |
9 |
4,07 |
0,01 |
2,13 |
0,01 |
8,04 |
0,02 |
10 |
4,08 |
0,01 |
2,14 |
0,01 |
8,03 |
0,02 |
Średnia |
4,07 |
0,01 |
2,14 |
0,01 |
8,02 |
0,02 |
Tab.2. Wyniki pomiarów grubości płytek badanych(d1 i d2) i średnicy (2r').
d1= 4,07±0,01[cm]
d2= 2,14±0,01[cm]
r1,2=4,02±0,02[cm]C) Szybkość stygnięcia n wyznaczono na podstawie wykresów zmiany temperatury w
czasie.
n1=0,0193± 0,0003 [° C/s]
n2=0,0182± 0,0004 [° C/s]
Różnica temperatur odpowiadająca stanowi równowagi dla układów 1 i 2 wynosi:
TΔ1=15,3±0,3° C
TΔ2=12,2±0,3° C
Wartości stałe:
m1 = (830,5 ± 0,5) [g]
m2 = (833,5 ± 0,5) [g]
c = (390 ± 5) [J/kgK]
(ciepło właściwe mosiądzu)
-Przykładowe obliczenia dla 1 układu:
-Przykładowe obliczenia dla 2 układu:
Wnioski.
W ćwiczeniu dokonywano pomiaru współczynnika przewodności cieplnej izolatorów. Jako izolatory służyły krążki z plastiku.
Duży bład bezwzględny wnosi stała ciepła właściwego mosiądzu. W przypadku pomiaru średnicy i grubości krążków błąd względny miał mniejszą wartość od dokładności suwmiarki oraz śruby mikrometrycznej. Przyjęto, więc jako błąd dokładności przyrządów.
Zestawienie wyników:
k1 = 0,22 ± 0,02 [J/msK]
k2 = 0,14 ± 0,08 [J/msK]
Wyszukiwarka