Обработка результатов измерений. Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности твёрдых тел методом цилиндрического слоя.

Цель работы

Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности твёрдых тел методом цилиндрического слоя.

 

Назначение работы

Изучение теории и основного закона теплопроводности; факторов, определяющих теплопроводность; методов её опытного определения.

 

Содержание работы

 

Установление зависимости теплопроводности теплоизоляционного материала от температуры методом цилиндрического слоя.

 

Теоретические основы работы

Для нахождения количества теплоты, проходящего через цилиндрическую поверхность величиной в единицу времени, можно воспользоваться законом Фурье:

 

 

Подставляя в уравнение закона Фурье значение градиента температуры согласно уравнению () и, учитывая, что , получаем:

 

, тогда

 

, , где

 

- мощность, выделяемая в нагревателе

 

, ;

 

- длина рабочего слоя;

- наружный диаметр (суммируется по положению внешней термопары в слое);

- внутренний диаметр слоя;

- температура на внутренней поверхности образца;

- температура образца на расстоянии (мм) вдоль радиального нагревания.

Результаты расчётов для разных режимов опытов следует представить в виде графика .

В рассматриваемом случае максимальная погрешность вычисляется с помощью соотношения:

 

 

Рис. 1.1.

Экспериментальная установка

 

Основным элементом установки является измерительный участок (рис. 1.2). Он состоит из металлической цилиндрической трубы (1), на которую помещается слой постоянной толщины из исследуемого материала (2) (эбонит).

Рис. 1.2.

Внутри трубы помещается электрический нагреватель (3), имеющий равномерное размещение витков по длине, что обеспечивает постоянную плотность теплового потока. Кроме того, предусматривается тепловая защита (4) торцевых поверхностей. ЭДС термопар измеряется с помощью вольтметра (6) постоянного тока типа В7-38 через механический переключатель (7) термопар. Нагреватель работает от регулируемого источника питания (5) типа ТЕС-14.

Мощность, потребляемая электрическим нагревателем, определяется по току в цепи нагревателя и падению напряжения на нём.

 

Данные установки

 

Материал образца – эбонит.

 

Порядок выполнения работы

1. Подключить вольтметр и источник питания к розеткам стойки.

2. Включить питание стойки.

3. Включить источник питания.

4. Установить напряжение . (Записать показания напряжения и тока нагревателя )

5. Выставить переключатель каналов в положение 1 и следить за показаниями милливольтметра.

Замечание: Следить, чтобы в процессе выхода на стационарное состояние температура не превышала значение , что по термо ЭДС соответствует для хромель-копелевой термопары, являющейся датчиком температуры.

6. По достижению стационарного состояния, при котором показания термо ЭДС остаётся неизменным во времени, записать показания всех приборов.

7. Следующий опыт повторить при другом режиме работы нагревателя, учитывая замечание пункта 5.

Результаты измерений

 

22,4 В; 0,5 А;

 

Таблица измерений.

Сигнал	№ термопары
мV	1 2,33	1,58	1,31
2 2,38	1,64	1,35
мV среднее	2,355	1,61	1,33
	36,8	25,16	20,78
	309,95	298,31	293,93

 

Обработка результатов измерений

9.1. Расчёт коэффициента теплопроводности:

 

 

 

 

9.2. Оценка погрешности:

 

 

 

 

 

 

 

Темы контрольных вопросов

1. Физическая сущность процесса теплопроводности.

2. Формулировка закона Фурье.

3. Метод цилиндрического слоя для опытного определения теплопроводности.

4. Способы изменения теплопроводности исследуемого теплоизоляционного материала от температуры.