Определение коэффициента теплопроводности твердого тела методом температурного градиента
Цель работы: определение коэффициента теплопроводности твердого
тела методом температурного градиента.
Приборы и принадлежности: прибор для определения коэффициента
теплопроводности, исследуемый образец, термометры.
В веществе (твердом, жидком, газообразном) случайно или под действием внешних причин могут возникнуть неоднородности в распределении температуры, плотности или скорости отдельных его частиц. В этом случае на беспорядочное движение его молекул накладывается упорядоченное движение, которое выравнивает эти неоднородности. Это явление называется явлением переноса, т.к. оно сопровождается переносом: либо тепла, либо количества движения или массы.
Трем видам неоднородности соответствуют три явления переноса:
– теплопроводность;
– диффузия;
– внутреннее трение.
Познакомимся с 2–мя из них – теплопроводностью и диффузией.
1. Если некоторые части тела имеют разную температуру, то между этими частями возникнет явление теплопроводности.
Теплопроводностью называется явление переноса тепла из мест с большей температурой в места с меньшей.
Теплопроводность сопровождается выравниванием температуры и прекращается, когда температура всех точек тела становится одинаковой.
Теплопроводность описывается уравнением Фурье:
,
которое читается: количество теплоты, перенесенное через площадь D S за время D t , прямо пропорционально градиенту температуры, площади и времени переноса.
K – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности.
Коэффициент теплопроводности равен количеству теплоты, перенесенному через единицу площади за единицу времени при градиенте температуры, равном единице.
Градиентом температуры называется изменение температуры на каждой единице длины в направлении, противоположном переносу тепла:
,
grad T – вектор, направленный в сторону более высокой температуры.
Знак “–“ в уравнении Фурье означает, что направление переноса тепла происходит из точек, где его больше, к точкам, где его меньше.
2. Диффузия – перенос массы из мест с большей плотностью в места с меньшей. Она возникает, когда плотность вещества в разных местах различна.
Диффузия описывается уравнением Фика:
которое читается: количество вещества, переносимое за время D t через площадь D S пропорционально градиенту плотности, площади, через которую переносится вещество и времени переноса.
D – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом диффузии.