LABORATORIUM FIZYKI
Ćwiczenie nr 1 Wyznaczanie współczynnika przewodności cieplnej materiałów izolacyjnych
Witkowski Wojciech Ulikowski Grzegorz		DSZ-PK1 Pluton 2
05.03.2003	Ocena:

Celem wykonywanego ćwiczenia jest sprawdzenie czy wiedza teoretyczna nabyta na wykładach, znajduje potwierdzenie w praktyce. W tym celu będziemy wyznaczać współczynnik przewodności cieplnej λ (określa on ilość ciepła przepływającą pod wpływem różnicy temperatur 1K na drodze 1m przez powierzchnię 1m²) materiałów izolacyjnych.

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

od
(dobry izolator cieplny)

do
(miedź).

Tak duże różnice przewodności cieplnej materiałów izolacyjnych 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.

W stanie nieustalonym najczęściej określamy dyfuzyjność cieplną, co przy znanej gęstości ρ i cieple właściwym c pozwala na określenie współczynnika przewodności cieplnej λ. Przy pomiarach w stanie ustalonym określa się bezpośrednio przewodność cieplną.

CHARAKTERYSTYKA UKŁADU POMIAROWEGO.

Zasada pomiaru oparta jest na zjawisku przewodzenia ciepła w stanie ustalonym. Ciepło 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).

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.

Schemat układu pomiarowego:

Wykonanie pomiarów

Wykonujemy pomiary geometryczne, a wyniki zapisujemy w tabeli nr1:

Tabela nr 1.

Długość blachy a [mm]		Szerokość blachy b [mm]		Grubość próbki d [mm]
227 226 226		226 226 227		3.8 3.9 3.9 3.8 3.9
aśr [mm]	226	bśr [mm]	226	dśr [mm]	3.8
aśr [m]	0.226	bśr [m]	0,226	dśr [m]	0,0038
Δaśr [m]	0.002	Δbśr [m]	227	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.

Tabela nr 2.

Czas [min]
Napięcie termoelektryczne na płycie (między termoparami)	Górnej	0.11	0.22	0.31	0.40	0.46	0.52	0.57	0.61	0.64	0.67	0.69	0.71	0.73
		Dolnej	0.09	0.19	0.28	0.35	0.41	0.45	0.49	0.53	0.56	0.58	0.60	0.62	0.63

0.74	0.75	0.76	0.77	0.78	0.78	0.78	0.79	0.79	0.79	0.79	0.79	0.79	0.79	0.79	0.79	0.79
0.64	0.65	0.66	0.66	0.67	0.67	0.68	0.68	0.68	0.68	0.68	0.68	0.68	0.68	0.68	0.68	0.68

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 temperatury
[K] (wartość wpisujemy do tabeli nr 3:

(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 nr3):

Następnie przystępujemy do obliczenia błędów.

Obliczamy względny błąd procentowy B_p współczynnika
metodą logarytmiczną:

B_p=

Na błąd popełniany podczas wyznaczania współczynnika przewodności cieplnej największy wpływ ma pomiar napięcia, którego błędy bezwzględny i względny wykazują największe wartości pokazane w tabeli nr 3.

Błąd bezwzględny współczynnika
wynosi:

tabela nr3

Nazwa materiału próbki	płyta pilśniowa		Błąd bezwzględny		Błąd względny
Średnia różnica temperatur		19,00		0,25		0,01
Natężenie prądu	I [A]	0,78	[A]	0,01		0,01
Napięcie	U [V]	59,9	[V]	0,2		3,3
Współczynnik przewodności cieplnej		0,095		0,6		6,3

WNIOSKI

Po wykonaniu ćwiczenia i określeniu współczynnika przewodności cieplnej
możemy stwierdzić iż badana przez nas próbka (płyta pilśniowa) jest dobrym izolatorem cieplnym. Z naszego doświadczenia wynika że największe prawdopodobieństwo popełnienia błędu względnego i bezwzględnego występuje podczas obliczania współczynnika przewodności cieplnej.

Wadą tego sposobu wykonywania pomiarów jest bardzo długi czas oczekiwania na ustalenie się równowagi cieplnej, która zależy między innymi od wielkości termicznego układu pomiarowego.

1

5

---